大電流直流陽子加速器
【課題】大電流かつ高エネルギの直流陽子加速器を提供する。
【解決手段】本発明における加速器システムは直流の高電圧・大電流の電力供給装置と、排出イオン加速管と、陽子イオン源と、双極子分解磁石と、高電圧端子に設置された真空ポンプとを有する。大電流・高エネルギの直流陽子ビームは、ホウ素中性子補足治療法（ＢＮＣＴ）、核共鳴吸収法（ＮＲＡ）、及びシリコン分割のようなアプリケーションに応じて、多くの対象に指向することができる。
【解決手段】本発明における加速器システムは直流の高電圧・大電流の電力供給装置と、排出イオン加速管と、陽子イオン源と、双極子分解磁石と、高電圧端子に設置された真空ポンプとを有する。大電流・高エネルギの直流陽子ビームは、ホウ素中性子補足治療法（ＢＮＣＴ）、核共鳴吸収法（ＮＲＡ）、及びシリコン分割のようなアプリケーションに応じて、多くの対象に指向することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
本特許出願は、２００８年８月１１日に出願された本出願と同名称の米国仮特許出願番号６１／０８７，８５３，について優先権の利益を主張し、当該出願の全開示内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、陽子加速器に関する。
【背景技術】
【０００３】
１９２０年代後半及び１９３０年代前半にかけて、実験的な原子核物理学における研究は、数種類の粒子加速器の発明により促進された。当該加速器システムは、ロルフ ヴィデロエによる無線周波数ドリフト管線形加速器と、アーネスト ローレンスによる無線周波数螺旋起動サイクロトロンと、ジョン コッククロフト及びアーネスト ウォルトンによる直流電流直列接続整流器高電圧発生器と、ロバート バン デ グラーフによる直流静電気高電圧発生器を有していた。マサチューセッツ工科大学（ＭＩＴ）の教授数人により１９４６年に発見されたヴァン デ グラーフ イオン・電子加速器は約６００台が高電圧工学法人によって製造された。上記静電気システムは、エネルギを精密に制御すると共に、小径かつ発散の少ない粒子ビームを供給できるため好評だった。イオン源は一般的に小さく、低出力の無線周波数発生器により励起されたプラズマを含むガラス管であった。陽子ビーム電流は２，３００マイクロアンペアに制限されるが、原子核物理学における多くの研究プログラムにおいては通常十分であった。
【０００４】
物理学者や他の科学者たちは様々なアプリケーションにおいてより高いビーム電流を提供し得る加速器を探していた。例えば、米国の国立航空宇宙局（ＮＡＳＡ）は、宇宙における衛星表面のヴァンアレン放射による悪影響を調査するためにより高い陽子ビーム電流を提供しうる加速器を探していた。当該必要性はデュオプラズマトロン型のイオン源を有するダイナミトロン直流加速器の開発の契機となった（非特許文献１、２参照）。放射力学株式会社（ＲＤＩ）によって開発された修正デュオプラズマトロンのイオン源は、水素又は重水素のプラズマから得られる１０ｍＡ以上の１原子、２原子又は３原子のイオンを発する能力を有していた（非特許文献３及び特許文献１参照）。
【０００５】
他の例として、１９７０年代前半にＲＤＩ社がドイツのハンブルグエッペンドルフ大学病院のためにＡＥＧテレフンケン社と協同して開発した高速中性子癌治療システムは、回転する三重水素で被覆された対象から１４ＭｅＶの高強度の中性子（１秒に２×１０１２個以上の中性子）を生成するために、１２ｍＡの原子や分子の重水素イオンビームを６００ｋｅＶのエネルギに加速した（非特許文献４、５参照）。
【０００６】
しかし、より大きなダイナミトロン加速器において（最大４．５ＭｅＶの）高エネルギの水素原子または分子の混合ビームを加速させても２，３ミリアンペアにしか加速出来なかった。イオン源からの残留水素ガスを有するエネルギイオンの衝突は、長さがより長い加速管を通過し、集束していない水素イオンや自由電子を生成していた。上記イオンや電子は中間ダイノードにより遮断され、加速管に沿って電圧分布を歪めてしまうものもあった。この影響により大電流におけるビーム操作は安定しなくなっていた。イオン源からの残留水素ガスを有するエネルギイオンの衝突により生成された自由電子は、プラスの高電圧端子に向かって引き戻され、Ｘ線を生成した。Ｘ線は高電圧発生器を絶縁するのに使用される、高圧の六フッ化硫黄ガス中でイオンを生成した。この影響は、高電圧整流器カラムから、直列の整流器システムを包囲して活性化する無線周波数電極に流れる直流電流により示され、圧力容器の外側のＸ線パターンを測定することにより確認された。加速管内部での自由電子によるＸ線の発生は、高電圧出力を浪費し、加速器設備内での放射線遮蔽の必要性を増加させてしまうため望ましくなかった。
【０００７】
さらなる研究により、上述したイオン電流（陽子ビーム電流）の制限は、加速管内部で水素ガス流を減少させる為にイオン源付近にチタン収集ポンプを付加することで軽減されるのが明らかになった。静電単レンズ及び電界と磁界が交差した質量分析器は、水素イオン分子を偏向させ、当該水素イオン分子が加速管に進入するのを防止するためにイオン源の後方に追加される（非特許文献６、７参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】１９６９年７月２９日に特許、ＲＤＩ社からＩＢＡ産業株式会社に名称変更、米国特許第３４５８７４３号明細書、Ｍ．Ｒ．クレランド、外１名、「デュオプラズマトロンの陽イオン源の使用」
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｍ．フォン アルデンネ、「電気物理学、イオン物理学及び電子顕微鏡学Ｉのリスト」、Ｖ．Ｅ．Ｂ．科学ドイツ出版社、ｐ５４４−５４９、１９５６
【非特許文献２】Ｃ．Ｄ．モーク、外４名、「加速器の使用のためのデュオプラズマトロンイオン源」、回転科学機器 ３０、ｐ６９４、１９５９
【非特許文献３】Ｍ．Ｒ．クレランド、外１名、「開放円筒状の抽出装置を有するダイナマグイオン源」、原子核科学におけるＩＥＥＥトランザクション、ＮＳ−１４、Ｎｏ．３、ｐ６０−６４、１９６７
【非特許文献４】Ｍ．Ｒ．クレランド、「ダイナジェン４高速中性子治療システム」、高速中性子発生器における実用的な医療基準の学会論文集、タフツ−ニューイングランド医療センター、ボストン、マサチューセッツ、ｐ１７８−１８９、１９７３
【非特許文献５】Ｂ．Ｐ．オファーマン、「ハンブルグエッペンドルフ放射線医学大学病院における中性子治療設備」、高速中性子発生器における実用的な医療基準の学会論文集、タフツ−ニューイングランド医療センター、ボストン、マサチューセッツ、ｐ６７−８６、１９７３
【非特許文献６】Ｅ．Ｍ．ケロッグ、「ビーム加速中におけるイオンガスの衝突」、原子核科学におけるＩＥＥＥトランザクション、Ｖｏｌ．ＮＳ−１２、Ｎｏ．３、ｐ２４２−２４６、１９６５
【非特許文献７】Ｍ．Ｒ．クレランド、外２名、「メガボルト電位の強力陽イオンビームの加速」、原子核科学におけるＩＥＥＥトランザクション、Ｖｏｌ．ＮＳ−１６、Ｎｏ．３、ｐ１１３−１１６、１９６９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、２，３ミリアンペア以上のビーム電流を供給できる高エネルギの直流陽子加速器は、これまでには開発されていなかった。大電流、高エネルギの直流陽子加速器を必要とする非常に重要なアプリケーションは多数存在する。例えば、ホウ素中性子補足療法（ＢＮＣＴ）や核共鳴吸収（ＮＲＡ）法による爆発物の検出及びシリコンウェハの製造におけるシリカの分割といったアプリケーションが太陽電池にも使用され、大電流、高エネルギ加速器から取得することができる。
【００１１】
大電流、高エネルギ加速器に対する必要性は高まっているにも関わらず、大電流かつ高出力の陽子加速器を開発するという従来の試みはいまだ成功に至っていない。大電流かつ高出力パルス状の陽子ビームは無線周波数の四極子加速器の使用により生成することができる。それでもなお、直流陽子加速器は無線周波数４極子加速器によるパルス状ビームに比べ電気的に効率がよく、連続的なビームを生成できるため無線周波数４極子加速器より望ましいものである。連続的な直流ビームは、面積の広い対象を走査した場合にパルス状のビームよりも一様な線量分布を生成することができる。直流加速器は比較的少ないエネルギ変動で陽子ビームを生成することができ、ＮＲＡアプリケーションや薄いシリコンウェハの製造には重要である。そこで本発明は、大電流かつ高エネルギの直流陽子加速器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】
【００１２】
本発明における加速器システムは、直流高電圧・大電流電力供給装置と、排出イオン加速管と、陽子イオン源と、双極子分解磁石及び高電圧端子に設置された真空ポンプとを有するものである。
【００１３】
直流加速器システムは、ビーム管と呼ばれることもある、絶縁リングにより相互に離間した複数の導電性電極を備えた加速管を有する。加速管は陽子ビームに対して一様で、収束した加速電界を供給するよう構成されている。（好ましくは０．４ＭｅＶ以上の）高電圧及び（好ましくは５ｍＡ以上の）大電流を供給する電力供給装置は、加速管に加速電圧を供給する。イオン源は、外部のマイクロ波発生器により供給されたマイクロ波電力を有するイオン化水素ガスにより陽子を生成する。プラズマはイオン源を包囲する永久磁石により形成された軸方向の磁界に制限される。イオン源は、小さなビーム抽出開口部を有し、ビーム抽出開口部を通過する少量（好ましくは、標準状態で毎分３ｃｍ３未満（standard cubic centimeters per minute;以下ｓｃｃｍ）の中性子水素ガスを放出する一方で、（好ましくは５ｍＡ以上の）大電流陽子ビームを発する。
【発明の効果】
【００１４】
前記加速器システムは加速管内でイオンガスの衝突による悪影響を減少させる構成を有することが望ましい。双極子分解磁石はイオン源と加速管の間に位置する。分解磁石の磁界の形状は、イオン源で生成された陽子以外のイオンが加速管に到達するのを防止することができる。加速管に進入する中性子水素ガスの量を減少させる為に、イオン源と加速管の間には真空吸着ポンプを有していてもよい。ビームの発散が加速するのを制限し、加速管に進入する中性子ガスの量をさらに制限するために、加速管の入り口には小さな開口部が設置されていてもよい。
【００１５】
大電流、高エネルギの直流陽子ビームは、アプリケーションにより異なる多数の対象に指向することができる。たとえば、ホウ素中性子補足療法においては、中性子生成において加速された陽子ビームが２つのリチウムにより被覆された対象のいずれかに指向されてもよい。一方の対象は、異なる方向から癌患者を治療するための回転構台に取り付けられる。もう一方は回転構台の使用を必要としない治療用の固定位置に取り付けられてもよい。加速器の軸上に設置された双極子磁石により、オペレータはビームを一方の対象から他方に切り替えることができる。加速管の底部付近の圧力容器内部に設置された磁気による四極子レンズは、複合体ビーム輸送システムの主要な構成部品である。
【００１６】
もう１つの方法として、核共鳴吸収（ＮＲＡ）への適用において、異なる対象は、爆発物の中に一般的に存在する励起核種に対して適当なエネルギを有するγ線を生成するために使用される。
【００１７】
以下に記載される開示内容により従来技術に対する本発明の他の実施形態が明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
以下の図面は説明の目的のためにのみ使用され、本発明の範囲を制限するものではない。
【図１】大電流・高エネルギの直流陽子加速器の１実施形態の図である。
【図２】大電流・高エネルギの直流陽子加速器の１実施形態の図である。
【図３】イオン源、双極子分解磁石、真空室及び大電流・高エネルギ直流陽子加速器の加速機構の入り口の図である。
【図４】イオン源、双極子分解磁石、真空室及び大電流・高エネルギ直流陽子加速器の加速機構の入り口の図である。
【図５】大電流・高エネルギの直流陽子加速器のイオン源の実施形態における側面図である。
【図６】大電流・高エネルギの直流陽子加速器のイオン源の実施形態における正面図である。
【図７】大電流・高エネルギ直流陽子加速器の双極子分解磁石の実施形態における図である。
【図８】大電流・高エネルギ直流陽子加速器の双極子分解磁石の実施形態における図である。
【図９】Ｘ、Ｙ方向における陽子ビーム外形の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
直流加速器システム１は、高エネルギで大電流の陽子ビームを加速し得る。本発明の陽子ビームは、大電流に対して最低でも約０．３ＭｅＶ、最高で５ＭｅＶ程度のエネルギを有する。当該エネルギにおいて、本発明における陽子加速器はビームのエネルギを保持しつつ、最低でも５ｍＡ、最高で１００ｍＡ程度の電流の陽子ビームを加速し得る。
【００２０】
直流加速器システム１の具体的なレベルはアプリケーションに依存することになる。例えば、ホウ素中性子補足療法（ＢＮＣＴ）においては１．９〜３．０ＭｅＶの範囲のエネルギが１０−２０ｍＡの電流ビームと共に使用される。核共鳴吸収法（ＮＲＡ）による爆発物の検出においては、検出される物質に応じて変化することになる。（光起電セルの生成における）シリコンブロックの分割においては１５−２５ｍＡもしくは３０−４０ｍＡの電流に対して、厚いシリコンウェハを生成するのに約４ＭｅＶ又は薄いシリコンを生成するのに１ＭｅＶ未満のエネルギが使用される。
【００２１】
望ましい実施形態が図１，２に記載されている。図１，２は高エネルギ状態で大電流の陽子ビームを加速し得る直流加速器システム１の主要な構成を説明する図である。直流加速器システム１は、真空室４０を通過して直流加速機構３０に連結された陽子イオン源１０を有する。双極子分解磁石２０は、イオン源１０と直流加速機構３０の間に位置する。直流加速機構３０は、加速機構３０に加速電圧を供給する高電圧・（５ｍＡ以上の）大電流の電力供給装置５０に接続される。加速機構３０は特定のアプリケーションにおいてビーム形状を制御するためにビーム焦点レンズに接続される。
【００２２】
圧力容器７１には主要な構成が収容されている。図１には加速器容器クーラ７９及び絶縁支持部７２、無線周波数高電圧変圧器７７及び無線周波数電極７５が図示されている。陽子イオン源１０、双極子磁石２０、真空室４０及び加速機構３０の加速管３２を説明するために上記構成は図２では図示されていない。
【００２３】
図３，４は陽子イオン源１０、双極子磁石２０、真空室４０及び加速機構３０の加速管３２の入り口を２方向から見た拡大図である。図３，４は同様の構成を異なる方向から見たものである。
【００２４】
陽子イオン源
図５，６は陽子イオン源１０の実施形態を示す図である。図５は内部の側面図であり、図６は正面図である。陽子イオン源１０は、少量の残留ガスを取り入れる一方で（約５ｍＡ以上）大電流の陽子を供給し得る。必要量の陽子を同時に生成する一方で、陽子イオン源の生成量は約３ｓｃｃｍ未満、より好ましくは１ｓｃｃｍ未満であるとよい。陽子イオン源１０は図２に示すように、双極子分解磁石２０及び真空室４０に通じるビーム抽出開口部１２（出口開口部とも呼ばれる）を有する。
【００２５】
好ましい実施形態としては、コンパクトで大電流、マイクロ波駆動の陽子イオン源が利用される。集約的システムの使用に特に好適なイオン源のひとつには、マイクロ波駆動システムによりエネルギが与えられる磁気拘束プラズマを有するものがある（Ｊ．Ｓ．Ｃ．ウィルズ、外４名、「コンパクト大電流マイクロ波駆動イオン源」、科学機器の講評、Ｖｏｌ．６９、Ｎｏ．１、ｐ６５−６８、１９９８、参照により本明細書に援用）。当該イオン源は初期のダイナミトロン加速器で使用された、寿命の短い酸化被膜の陰極を有し、陽子以上に多くの水素イオン分子を発するデュオプラズマトロンイオン源とは異なっていた。固体マイクロ波発振器１５は約２．５ＧＨｚの周波数で約４００Ｗまで電力を発生することができる。熱電子陰極はイオン源またはマイクロ波発振器のいずれにも必要ではない。上記特性により日常保守が必要になる前に陽子加速器の操作時間を実質的に増大させることになってしまう。
【００２６】
弾力性のある同軸ケーブル１６及びテーパ状のマイクロ波導波管１８は、発振器１５からイオン源１０にマイクロ波電力を移動させるのに使用されてもよい。付随的に永久磁石１９はイオン源１０を周囲して位置している。イオンの損失の原因となるイオン源の壁面への接触を減少させてプラズマを制限するために、永久磁石１９により軸方向に磁界が形成される。使用される永久磁石１９の種類は、技術的に一般に使用されているものであり、例えばサマリウムコバルトやネオジムのように永久磁化されているものを含む。図６は１実施例として磁石１９の配置を表したものである。破線は磁界を変化させるために磁石１９の位置を変化させるのに使用される空白を表す。
【００２７】
上述の残留ガス比率で高エネルギ、大電流の陽子を生成すれば別のタイプのイオン源を使用することもできる。例えばイオン源は電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）型であってもよい。この種類は同一のマイクロ波周波数に大口径のプラズマ室を必要とするが、磁気部品の値段を増加させてしまう。
【００２８】
一般的な操作条件は、マイクロ波電力が約３００Ｗに陽子ビームが約５−２０ｍＡとなっている。質量流量制御器（図示なし）は、イオン源１０のプラズマ室１７に約２ｓｃｃｍの水素ガスを供給するのに使用されてもよい。操作条件はビームの最後のアプリケーションに依存して著しく変化する。水素は一般に２つの小さな高圧タンク（図示なし）に格納されている。格納されたガスの量により約１年間で１日８時間の連続稼働が可能である。一実施例において、高電圧端子内の機器の低電圧出力は、モーターが接地電位にて絶縁軸と共に駆動する回転式発電器と共に供給される。
【００２９】
陽子の抽出と射出システム
水素イオンはプラズマから分離され、小さな開口部を有する加速抽出電極１１とイオン源１０の出口開口部１２との間に設置された電界強度の高い電界において狭窄なビームに形成される。当該開口部は、テーパ状のマイクロ波導波管１８に対向するイオン源１０の端部において円筒状のプラズマ室１７の軸上に位置する。上述のようなマイクロ波駆動の陽子イオン源と共に、陽子の構成は全イオン放出量の少なくとも約６０％であることが望ましい。残る構成は主に２原子水素イオンや３原子水素イオンである。加速抽出電極１１とイオン源１０の間に印加される電圧は一般に約３０ｋＶになるが、アプリケーションによっては前後してもよい。イオンガスの衝突により生成された低エネルギの電子がイオン源に戻るのを防止するために、減速電極１３は抽出電極１１の内部及び下流に位置する。これにより上記電子を抽出されたイオンビームに蓄積させることができ、イオンビームの空間電荷の拡大を防止することができる。加速抽出電極１１と減速電極１３の間における約１．５ｋＶから２．０ｋＶの電圧の差は本発明の目的に対しては十分である。
【００３０】
出口開口部１２は、初期のビーム中の重イオンから陽子が分離される真空室４０に通じている。分離はイオン源１０と加速管３２との間に位置する双極子分解磁石２０によりなされるのが望ましい。双極子分解磁石２０は変動磁界の電磁石または固定磁界の永久磁石のいずれかであればよい。永久磁石は小型であるという利点を有し、電力供給装置または制御システムを必要としない。双極子分解磁石２０は、２原子水素や３原子水素イオンのような、イオン源１０により生成された陽子以外のイオンが加速機構３０に到達するのを防止するような磁界を生成するように構成されている。１実施例として双極子磁石２０は約４５度の角度となるが、アプリケーションによっては別の角度になってもよい。
【００３１】
双極子分解磁石２０は固定磁界の分解磁石であって、永久磁石材２８を一部に有して構成され、磁界の形状を制御する鉄片を有していてもよい。磁石材２８及び／または鉄片の正確な配置は変動してもよく、図７，８に一例を示す。磁石材２８は、好ましくは鉄により構成された磁極２７の後方に取り付けられ、磁極２７は単一の磁界形成機能を有する。陽子ビームの発散を減少させる為に、固定磁界分解磁石２０は曲面と当該直交方向のいずれにおいても焦点効果を生じさせる傾斜極勾配２５を有していてもよい。初期のダイナミトロン加速器とは対照的に、静電単レンズ及び、交差型質量分析器の使用は、空間電荷の拡大効果を無効にするためにビーム中においては低エネルギの電子を保持する必要があることから、大電流ビームにおいては妥当ではない。
【００３２】
好適な実施形態として、真空吸着ポンプ４３はイオン源１０と加速管３２とを接続する真空室４０に接続される。真空ポンプ４３は加速管３２への中性子ガスの流量を最小化する。真空ポンプ４３は水素ガスに対してポンプの速度が高速である吸着ポンプであってもよい。
【００３３】
イオン源から抽出されたビームの横方向寸法は測定される。ビームラインから外方向に延びる２つのアクチュエータはビームを通過する細いワイヤーを通すのに使用される。当該アクチュエータはリニアギヤにより駆動される。加速器システム１により生成された略三角形のビーム外形は図９に図示されている。
【００３４】
図９におけるデータが測定される際には、水平方向（Ｘ）のデータは、双極子磁石におけるビームの偏向を増加させるために抽出電圧を僅かに低下させることにより直交方向（Ｙ）のデータと相殺される。図９における水平方向及び垂直方向の表示における混乱を避けるためである。実際には、加速機構３０において抽出電圧は、加速管３２の軸を有する偏向した陽子ビームを整列させるために調整される。双極子磁石２０と加速管３２との間の陽子ビームの僅かな発散は、加速管３２の入り口における電界の突出という集束効果とは矛盾しない。コンピューターシミュレーションによればビーム外形は加速管３２に進入するにつれて発散型から収束型に移行する。ビームは加速器カラム３２中の一様な電界により加速中に略平行となるため、加速管３２（以下に詳述）の金属ダイノード３５（代替的に「加速電極」としても記載）の大きな開口部には衝突しない。このような状況においてビーム直径は加速管３２の出口で約２ｃｍ未満になる。出口におけるビーム直径は加速管３２の底部に位置する磁気４極子複レンズにより調整されることができる。
【００３５】
付随的に双極子分解磁石２０の出口付近、かつ加速管３２の入口前方には、図３、４に示すような小さい金属開口部３６が存在する。開口部３６は加速管３２のダイノード３５の内径未満の直径を有する。開口部３６は加速管３２に進入する中性子ガスの量を減少させる。さらに開口部３６は加速管３２に引き寄せられるビームの発散を制限する機能を有するため、加速した陽子は加速管３２内においてダイノード３５に衝突することはできない。
【００３６】
特に好適な実施例として、開口部３６の直径は約１インチであり、導電性ダイノード３５の内径は約３インチが望ましい。開口部３６は真空ポンプ４３と結合した状態での使用時に特に有効である。陽子イオン源から射出される中性子ガスはできるだけ最小化されるべきである。中性子ガスは真空吸着ポンプ４３により排出されるか、又は加速カラム３２に進入することができる。真空吸着ポンプと結合した状態での使用時に、開口部３６は真空吸着ポンプ４３の下流に位置し、排出される中性子ガスの割合を増大させ、加速管３２内の真空の純度をより高めることができる。
【００３７】
直流加速機構
図１，２に示す陽子加速機構３０のより好適な形態は、ダイナミトロン加速器のデザインに基づく。しかし、コッククロフトウォルトン連続結合型直列整流器システムや磁気結合型直列整流器システムのような他の直流加速器デザインが使用されてもよい。図１において高電圧直流電力供給装置５０は、加速カラム３２を周囲する、平行に一対となった直列の整流器アセンブリからなる。整流器アセンブリ３８は例えば約１００ｋＨｚの周波数で共振する自己調節無線周波数発振回路を有することにより電圧が加えられる（Ｍ．Ｒ．クレランド、外１名、「ダイナミトロンの未来」、原子核科学におけるＩＥＥＥトランザクション、Ｖｏｌ．ＮＳ−１２、Ｎｏ．３、ｐ２２７−２３４、１９６５、参照により本明細書に援用）。
【００３８】
一実施例として、整流器アセンブリ３８は、直列回路中に６０個の固体の整流器を有し、各整流器は最大で５０ｋＶを負担する。当該整流器アセンブリは３ＭＶの直流電位を生成し、５０ｍＡの連続電子ビーム電流又は１５０ｋＷのビーム電力を輸送することができる（一例として、Ｍ．Ｒ．クレランド、外３名、「産業上利用する大電力電子直流電子加速器」、加速器の利用における第３回全連邦会議、レニングラード、ソ連、１９７７年６月２６ー２８日、参照により本明細書に援用）。他の整流器アセンブリデザインを利用することも可能である。実際上、固体の整流器は加速システム１の必要電圧に応じて使用されてもよい。
【００３９】
上記実施例に示すように、加速管３２は２４０ｃｍ（約８ｆｔ）の有効長及びダイノード３５中の開口部の内径が約７．５ｃｍ（約３インチ）となる。当該長さと内径はアプリケーションに応じて変更してもよい。ダイノード３５は図３、４に示すように、散乱粒子が絶縁環に衝突するのを防止するために渦巻状になっている。絶縁環はダイノード３５を支持するとともに分離させており、ガラスから構成されるのが望ましい。図面では、他の構成をわかりにくくしないようにダイノード及び絶縁環の合計数の一部のみが図示されている。加速管３２内部でのイオンガスの衝突により放射された２次電子が高電圧端子に向かって逆方向に加速するのを防止するために、小さな永久磁石が数個の中間ダイノード３５に加えられてもよい。上記磁石は実質的に２次電子によるＸ線の生成を減少させる。
【００４０】
実施例に示すように加速管３２は、この実施例では高電圧発生器内の電力供給装置５０内部の同軸上に取り付けられる。高電圧電力供給装置はダイナミトロン加速器であることが望ましい。しかし、高電圧電力供給装置５０は高電圧、大電流を供給する装置であれば本実施例とは異なったものとして構成されてもよい。電力供給装置５０は加速管３２に加速電圧を供給し、従来技術でも知られているように様々な方法で接続することができる。電力供給装置５０は少なくても約０．３ＭＶ以上または５ｍＡ以上の性能を有することが望ましい。
【００４１】
加速管３２の出口上で、ビームは電力密度を減少させる為に走査されることが望ましい。１例として、ビームは加速カラム３２から走査磁石へ抜け出る。ビームは初期の小径のビームと比較して相対的に面積の大きな表面に拡張されることが望ましい。１例として、走査磁石には一方がＸ方向、もう一方がＹ方向に走査する、約１ｍ２の面積を有する一組の直交走査磁石が含まれる。他の実施例としてビームは中性子の生成においてリチウム薄層で被覆された対象の表面に拡散する。
【００４２】
外部ビーム輸送システム
ホウ素中性子補足療法（ＢＮＣＴ）において、加速陽子ビームは中性子の生成において２つの対象のいずれかに指向されてもよい。一方の対象は、異なる方向から癌患者治療用の回転構台に取り付けられる。もう一方は、回転構台の使用を必要としない治療用の固定位置に取り付けられる。加速器の軸上に設置された双極子磁石により、オペレータはビームを一方の対象から他方に切り替えることができる。加速管３２の底部付近の圧力容器内部に設置された磁気４極子レンズは、複合体ビーム輸送システムの主要な構成部品である。
【００４３】
上記以外の対象が他のアプリケーションに使用されてもよい。
【００４４】
リチウムターゲットアセンブリ
リチウム金属の薄層は、２つの水冷金属パネルの内側表面に堆積される。当該パネルは陽子ビームの対称軸を基準として約３０度傾斜して取り付けられ、陽子ビームは両パネルの表面をカバーするためにＸ、Ｙ方向に走査される。上記パネルの角度調節によりリチウム被膜の冷却を促進させる対象材料の面積は増加する。リチウムの厚さは、進入する陽子のエネルギを１．８９ＭｅＶに減少させるためには十分であり、１．８９ＭｅＶは中性子の生成におけるリチウムとベリウムの反応に必要なエネルギの閾値である。リチウムの厚さがより厚くなれば、中性子収率を増加させずにリチウム層に堆積されるエネルギを増加させることができる。リチウムは図５に示すように鉄の薄板上に堆積される。鉄はリチウム層を通過し、基材に留まる陽子からの水素膨れを生じさせないようにするための材料である。薄い鉄板の裏側には冷却フィンがあり、フィンは熱の除去に有効な厚い水冷銅板パネルと結合している。鉄板は、陽子が水素膨れを生じるおそれのある銅板パネルに到達するのを防止する。リチウム層は湿り空気への露出による劣化から保護するためにステンレススチールの極薄層で被覆されている。上記対象アセンブリの詳細な記述はＹ．ヨンゲン、外５名、ホウ素中性子補足療法用の中性子発生装置、国際特許Ｎｏ．ＷＯ２００８／０２５７３７ Ａ１、に記載され、全ての内容は参照として本明細書に援用する。
【００４５】
中性子ビーム成形アセンブリ
アセンブリは、中性子反射体、デリミタ―及び異なる材料でできたフィルターによって周囲された主要な減速材であるマグネシウムフッ化物から構成されている。主要な目的は最大エネルギが約２０ｋｅＶを超過しないように中性子エネルギースペクトルを減少させることである。これにより中性子収率を増加させるために閾値エネルギを超える数百ｋｅＶもの陽子ビームエネルギーを有するリチウム対象の放射を許容できる。また、腫瘍部位への吸収線量を集中させるために中性子ビームの直径を制限することもできる。上記ビーム成形アセンブリのより詳細な説明はＹ．ヨンゲン、外５名、ホウ素中性子補足療法用の中性子発生装置、国際特許出願ＮＯ．ＷＯ２００８／０２５７３７ Ａ１、に記載され、参考により本明細書に援用する。
【００４６】
代替手段
本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更や調整が可能であることは当業者であれば明らかであり、本出願はそのような実施形態をカバーすることを意図している。本発明の内容は発明を実施するための形態に記載されていると共に、全ての実施形態の範囲は特許請求の範囲を参照することで評価される。
【符号の説明】
【００４７】
１… 加速器システム、
１０… 陽子イオン源、
１１… 加速抽出電極、
１２… ビーム抽出開口部（出口開口部）、
１３… 減速電極、
１５… 固体マイクロ波発振器、
１６… 同軸ケーブル、
１７… プラズマ室、
１８… マイクロ波導波管、
１９… 永久磁石、
２０… 双極子分解磁石、
２５… 傾斜極勾配、
２７… 磁極、
２８… 永久磁石材、
３０… 加速機構、
３２… 加速管、
３５… 金属ダイノード、
３６… 金属開口部、
３８… 整流器アセンブリ、
４０… 真空室、
４３… 真空吸着ポンプ、
５０… 電力供給装置、
７１… 圧力容器、
７２… 絶縁支持部、
７５… 無線周波数電極、
７７… 無線周波数高電圧変圧器、
７９… 加速器管クーラ。
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
本特許出願は、２００８年８月１１日に出願された本出願と同名称の米国仮特許出願番号６１／０８７，８５３，について優先権の利益を主張し、当該出願の全開示内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、陽子加速器に関する。
【背景技術】
【０００３】
１９２０年代後半及び１９３０年代前半にかけて、実験的な原子核物理学における研究は、数種類の粒子加速器の発明により促進された。当該加速器システムは、ロルフ ヴィデロエによる無線周波数ドリフト管線形加速器と、アーネスト ローレンスによる無線周波数螺旋起動サイクロトロンと、ジョン コッククロフト及びアーネスト ウォルトンによる直流電流直列接続整流器高電圧発生器と、ロバート バン デ グラーフによる直流静電気高電圧発生器を有していた。マサチューセッツ工科大学（ＭＩＴ）の教授数人により１９４６年に発見されたヴァン デ グラーフ イオン・電子加速器は約６００台が高電圧工学法人によって製造された。上記静電気システムは、エネルギを精密に制御すると共に、小径かつ発散の少ない粒子ビームを供給できるため好評だった。イオン源は一般的に小さく、低出力の無線周波数発生器により励起されたプラズマを含むガラス管であった。陽子ビーム電流は２，３００マイクロアンペアに制限されるが、原子核物理学における多くの研究プログラムにおいては通常十分であった。
【０００４】
物理学者や他の科学者たちは様々なアプリケーションにおいてより高いビーム電流を提供し得る加速器を探していた。例えば、米国の国立航空宇宙局（ＮＡＳＡ）は、宇宙における衛星表面のヴァンアレン放射による悪影響を調査するためにより高い陽子ビーム電流を提供しうる加速器を探していた。当該必要性はデュオプラズマトロン型のイオン源を有するダイナミトロン直流加速器の開発の契機となった（非特許文献１、２参照）。放射力学株式会社（ＲＤＩ）によって開発された修正デュオプラズマトロンのイオン源は、水素又は重水素のプラズマから得られる１０ｍＡ以上の１原子、２原子又は３原子のイオンを発する能力を有していた（非特許文献３及び特許文献１参照）。
【０００５】
他の例として、１９７０年代前半にＲＤＩ社がドイツのハンブルグエッペンドルフ大学病院のためにＡＥＧテレフンケン社と協同して開発した高速中性子癌治療システムは、回転する三重水素で被覆された対象から１４ＭｅＶの高強度の中性子（１秒に２×１０１２個以上の中性子）を生成するために、１２ｍＡの原子や分子の重水素イオンビームを６００ｋｅＶのエネルギに加速した（非特許文献４、５参照）。
【０００６】
しかし、より大きなダイナミトロン加速器において（最大４．５ＭｅＶの）高エネルギの水素原子または分子の混合ビームを加速させても２，３ミリアンペアにしか加速出来なかった。イオン源からの残留水素ガスを有するエネルギイオンの衝突は、長さがより長い加速管を通過し、集束していない水素イオンや自由電子を生成していた。上記イオンや電子は中間ダイノードにより遮断され、加速管に沿って電圧分布を歪めてしまうものもあった。この影響により大電流におけるビーム操作は安定しなくなっていた。イオン源からの残留水素ガスを有するエネルギイオンの衝突により生成された自由電子は、プラスの高電圧端子に向かって引き戻され、Ｘ線を生成した。Ｘ線は高電圧発生器を絶縁するのに使用される、高圧の六フッ化硫黄ガス中でイオンを生成した。この影響は、高電圧整流器カラムから、直列の整流器システムを包囲して活性化する無線周波数電極に流れる直流電流により示され、圧力容器の外側のＸ線パターンを測定することにより確認された。加速管内部での自由電子によるＸ線の発生は、高電圧出力を浪費し、加速器設備内での放射線遮蔽の必要性を増加させてしまうため望ましくなかった。
【０００７】
さらなる研究により、上述したイオン電流（陽子ビーム電流）の制限は、加速管内部で水素ガス流を減少させる為にイオン源付近にチタン収集ポンプを付加することで軽減されるのが明らかになった。静電単レンズ及び電界と磁界が交差した質量分析器は、水素イオン分子を偏向させ、当該水素イオン分子が加速管に進入するのを防止するためにイオン源の後方に追加される（非特許文献６、７参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】１９６９年７月２９日に特許、ＲＤＩ社からＩＢＡ産業株式会社に名称変更、米国特許第３４５８７４３号明細書、Ｍ．Ｒ．クレランド、外１名、「デュオプラズマトロンの陽イオン源の使用」
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｍ．フォン アルデンネ、「電気物理学、イオン物理学及び電子顕微鏡学Ｉのリスト」、Ｖ．Ｅ．Ｂ．科学ドイツ出版社、ｐ５４４−５４９、１９５６
【非特許文献２】Ｃ．Ｄ．モーク、外４名、「加速器の使用のためのデュオプラズマトロンイオン源」、回転科学機器 ３０、ｐ６９４、１９５９
【非特許文献３】Ｍ．Ｒ．クレランド、外１名、「開放円筒状の抽出装置を有するダイナマグイオン源」、原子核科学におけるＩＥＥＥトランザクション、ＮＳ−１４、Ｎｏ．３、ｐ６０−６４、１９６７
【非特許文献４】Ｍ．Ｒ．クレランド、「ダイナジェン４高速中性子治療システム」、高速中性子発生器における実用的な医療基準の学会論文集、タフツ−ニューイングランド医療センター、ボストン、マサチューセッツ、ｐ１７８−１８９、１９７３
【非特許文献５】Ｂ．Ｐ．オファーマン、「ハンブルグエッペンドルフ放射線医学大学病院における中性子治療設備」、高速中性子発生器における実用的な医療基準の学会論文集、タフツ−ニューイングランド医療センター、ボストン、マサチューセッツ、ｐ６７−８６、１９７３
【非特許文献６】Ｅ．Ｍ．ケロッグ、「ビーム加速中におけるイオンガスの衝突」、原子核科学におけるＩＥＥＥトランザクション、Ｖｏｌ．ＮＳ−１２、Ｎｏ．３、ｐ２４２−２４６、１９６５
【非特許文献７】Ｍ．Ｒ．クレランド、外２名、「メガボルト電位の強力陽イオンビームの加速」、原子核科学におけるＩＥＥＥトランザクション、Ｖｏｌ．ＮＳ−１６、Ｎｏ．３、ｐ１１３−１１６、１９６９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、２，３ミリアンペア以上のビーム電流を供給できる高エネルギの直流陽子加速器は、これまでには開発されていなかった。大電流、高エネルギの直流陽子加速器を必要とする非常に重要なアプリケーションは多数存在する。例えば、ホウ素中性子補足療法（ＢＮＣＴ）や核共鳴吸収（ＮＲＡ）法による爆発物の検出及びシリコンウェハの製造におけるシリカの分割といったアプリケーションが太陽電池にも使用され、大電流、高エネルギ加速器から取得することができる。
【００１１】
大電流、高エネルギ加速器に対する必要性は高まっているにも関わらず、大電流かつ高出力の陽子加速器を開発するという従来の試みはいまだ成功に至っていない。大電流かつ高出力パルス状の陽子ビームは無線周波数の四極子加速器の使用により生成することができる。それでもなお、直流陽子加速器は無線周波数４極子加速器によるパルス状ビームに比べ電気的に効率がよく、連続的なビームを生成できるため無線周波数４極子加速器より望ましいものである。連続的な直流ビームは、面積の広い対象を走査した場合にパルス状のビームよりも一様な線量分布を生成することができる。直流加速器は比較的少ないエネルギ変動で陽子ビームを生成することができ、ＮＲＡアプリケーションや薄いシリコンウェハの製造には重要である。そこで本発明は、大電流かつ高エネルギの直流陽子加速器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】
【００１２】
本発明における加速器システムは、直流高電圧・大電流電力供給装置と、排出イオン加速管と、陽子イオン源と、双極子分解磁石及び高電圧端子に設置された真空ポンプとを有するものである。
【００１３】
直流加速器システムは、ビーム管と呼ばれることもある、絶縁リングにより相互に離間した複数の導電性電極を備えた加速管を有する。加速管は陽子ビームに対して一様で、収束した加速電界を供給するよう構成されている。（好ましくは０．４ＭｅＶ以上の）高電圧及び（好ましくは５ｍＡ以上の）大電流を供給する電力供給装置は、加速管に加速電圧を供給する。イオン源は、外部のマイクロ波発生器により供給されたマイクロ波電力を有するイオン化水素ガスにより陽子を生成する。プラズマはイオン源を包囲する永久磁石により形成された軸方向の磁界に制限される。イオン源は、小さなビーム抽出開口部を有し、ビーム抽出開口部を通過する少量（好ましくは、標準状態で毎分３ｃｍ３未満（standard cubic centimeters per minute;以下ｓｃｃｍ）の中性子水素ガスを放出する一方で、（好ましくは５ｍＡ以上の）大電流陽子ビームを発する。
【発明の効果】
【００１４】
前記加速器システムは加速管内でイオンガスの衝突による悪影響を減少させる構成を有することが望ましい。双極子分解磁石はイオン源と加速管の間に位置する。分解磁石の磁界の形状は、イオン源で生成された陽子以外のイオンが加速管に到達するのを防止することができる。加速管に進入する中性子水素ガスの量を減少させる為に、イオン源と加速管の間には真空吸着ポンプを有していてもよい。ビームの発散が加速するのを制限し、加速管に進入する中性子ガスの量をさらに制限するために、加速管の入り口には小さな開口部が設置されていてもよい。
【００１５】
大電流、高エネルギの直流陽子ビームは、アプリケーションにより異なる多数の対象に指向することができる。たとえば、ホウ素中性子補足療法においては、中性子生成において加速された陽子ビームが２つのリチウムにより被覆された対象のいずれかに指向されてもよい。一方の対象は、異なる方向から癌患者を治療するための回転構台に取り付けられる。もう一方は回転構台の使用を必要としない治療用の固定位置に取り付けられてもよい。加速器の軸上に設置された双極子磁石により、オペレータはビームを一方の対象から他方に切り替えることができる。加速管の底部付近の圧力容器内部に設置された磁気による四極子レンズは、複合体ビーム輸送システムの主要な構成部品である。
【００１６】
もう１つの方法として、核共鳴吸収（ＮＲＡ）への適用において、異なる対象は、爆発物の中に一般的に存在する励起核種に対して適当なエネルギを有するγ線を生成するために使用される。
【００１７】
以下に記載される開示内容により従来技術に対する本発明の他の実施形態が明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
以下の図面は説明の目的のためにのみ使用され、本発明の範囲を制限するものではない。
【図１】大電流・高エネルギの直流陽子加速器の１実施形態の図である。
【図２】大電流・高エネルギの直流陽子加速器の１実施形態の図である。
【図３】イオン源、双極子分解磁石、真空室及び大電流・高エネルギ直流陽子加速器の加速機構の入り口の図である。
【図４】イオン源、双極子分解磁石、真空室及び大電流・高エネルギ直流陽子加速器の加速機構の入り口の図である。
【図５】大電流・高エネルギの直流陽子加速器のイオン源の実施形態における側面図である。
【図６】大電流・高エネルギの直流陽子加速器のイオン源の実施形態における正面図である。
【図７】大電流・高エネルギ直流陽子加速器の双極子分解磁石の実施形態における図である。
【図８】大電流・高エネルギ直流陽子加速器の双極子分解磁石の実施形態における図である。
【図９】Ｘ、Ｙ方向における陽子ビーム外形の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
直流加速器システム１は、高エネルギで大電流の陽子ビームを加速し得る。本発明の陽子ビームは、大電流に対して最低でも約０．３ＭｅＶ、最高で５ＭｅＶ程度のエネルギを有する。当該エネルギにおいて、本発明における陽子加速器はビームのエネルギを保持しつつ、最低でも５ｍＡ、最高で１００ｍＡ程度の電流の陽子ビームを加速し得る。
【００２０】
直流加速器システム１の具体的なレベルはアプリケーションに依存することになる。例えば、ホウ素中性子補足療法（ＢＮＣＴ）においては１．９〜３．０ＭｅＶの範囲のエネルギが１０−２０ｍＡの電流ビームと共に使用される。核共鳴吸収法（ＮＲＡ）による爆発物の検出においては、検出される物質に応じて変化することになる。（光起電セルの生成における）シリコンブロックの分割においては１５−２５ｍＡもしくは３０−４０ｍＡの電流に対して、厚いシリコンウェハを生成するのに約４ＭｅＶ又は薄いシリコンを生成するのに１ＭｅＶ未満のエネルギが使用される。
【００２１】
望ましい実施形態が図１，２に記載されている。図１，２は高エネルギ状態で大電流の陽子ビームを加速し得る直流加速器システム１の主要な構成を説明する図である。直流加速器システム１は、真空室４０を通過して直流加速機構３０に連結された陽子イオン源１０を有する。双極子分解磁石２０は、イオン源１０と直流加速機構３０の間に位置する。直流加速機構３０は、加速機構３０に加速電圧を供給する高電圧・（５ｍＡ以上の）大電流の電力供給装置５０に接続される。加速機構３０は特定のアプリケーションにおいてビーム形状を制御するためにビーム焦点レンズに接続される。
【００２２】
圧力容器７１には主要な構成が収容されている。図１には加速器容器クーラ７９及び絶縁支持部７２、無線周波数高電圧変圧器７７及び無線周波数電極７５が図示されている。陽子イオン源１０、双極子磁石２０、真空室４０及び加速機構３０の加速管３２を説明するために上記構成は図２では図示されていない。
【００２３】
図３，４は陽子イオン源１０、双極子磁石２０、真空室４０及び加速機構３０の加速管３２の入り口を２方向から見た拡大図である。図３，４は同様の構成を異なる方向から見たものである。
【００２４】
陽子イオン源
図５，６は陽子イオン源１０の実施形態を示す図である。図５は内部の側面図であり、図６は正面図である。陽子イオン源１０は、少量の残留ガスを取り入れる一方で（約５ｍＡ以上）大電流の陽子を供給し得る。必要量の陽子を同時に生成する一方で、陽子イオン源の生成量は約３ｓｃｃｍ未満、より好ましくは１ｓｃｃｍ未満であるとよい。陽子イオン源１０は図２に示すように、双極子分解磁石２０及び真空室４０に通じるビーム抽出開口部１２（出口開口部とも呼ばれる）を有する。
【００２５】
好ましい実施形態としては、コンパクトで大電流、マイクロ波駆動の陽子イオン源が利用される。集約的システムの使用に特に好適なイオン源のひとつには、マイクロ波駆動システムによりエネルギが与えられる磁気拘束プラズマを有するものがある（Ｊ．Ｓ．Ｃ．ウィルズ、外４名、「コンパクト大電流マイクロ波駆動イオン源」、科学機器の講評、Ｖｏｌ．６９、Ｎｏ．１、ｐ６５−６８、１９９８、参照により本明細書に援用）。当該イオン源は初期のダイナミトロン加速器で使用された、寿命の短い酸化被膜の陰極を有し、陽子以上に多くの水素イオン分子を発するデュオプラズマトロンイオン源とは異なっていた。固体マイクロ波発振器１５は約２．５ＧＨｚの周波数で約４００Ｗまで電力を発生することができる。熱電子陰極はイオン源またはマイクロ波発振器のいずれにも必要ではない。上記特性により日常保守が必要になる前に陽子加速器の操作時間を実質的に増大させることになってしまう。
【００２６】
弾力性のある同軸ケーブル１６及びテーパ状のマイクロ波導波管１８は、発振器１５からイオン源１０にマイクロ波電力を移動させるのに使用されてもよい。付随的に永久磁石１９はイオン源１０を周囲して位置している。イオンの損失の原因となるイオン源の壁面への接触を減少させてプラズマを制限するために、永久磁石１９により軸方向に磁界が形成される。使用される永久磁石１９の種類は、技術的に一般に使用されているものであり、例えばサマリウムコバルトやネオジムのように永久磁化されているものを含む。図６は１実施例として磁石１９の配置を表したものである。破線は磁界を変化させるために磁石１９の位置を変化させるのに使用される空白を表す。
【００２７】
上述の残留ガス比率で高エネルギ、大電流の陽子を生成すれば別のタイプのイオン源を使用することもできる。例えばイオン源は電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）型であってもよい。この種類は同一のマイクロ波周波数に大口径のプラズマ室を必要とするが、磁気部品の値段を増加させてしまう。
【００２８】
一般的な操作条件は、マイクロ波電力が約３００Ｗに陽子ビームが約５−２０ｍＡとなっている。質量流量制御器（図示なし）は、イオン源１０のプラズマ室１７に約２ｓｃｃｍの水素ガスを供給するのに使用されてもよい。操作条件はビームの最後のアプリケーションに依存して著しく変化する。水素は一般に２つの小さな高圧タンク（図示なし）に格納されている。格納されたガスの量により約１年間で１日８時間の連続稼働が可能である。一実施例において、高電圧端子内の機器の低電圧出力は、モーターが接地電位にて絶縁軸と共に駆動する回転式発電器と共に供給される。
【００２９】
陽子の抽出と射出システム
水素イオンはプラズマから分離され、小さな開口部を有する加速抽出電極１１とイオン源１０の出口開口部１２との間に設置された電界強度の高い電界において狭窄なビームに形成される。当該開口部は、テーパ状のマイクロ波導波管１８に対向するイオン源１０の端部において円筒状のプラズマ室１７の軸上に位置する。上述のようなマイクロ波駆動の陽子イオン源と共に、陽子の構成は全イオン放出量の少なくとも約６０％であることが望ましい。残る構成は主に２原子水素イオンや３原子水素イオンである。加速抽出電極１１とイオン源１０の間に印加される電圧は一般に約３０ｋＶになるが、アプリケーションによっては前後してもよい。イオンガスの衝突により生成された低エネルギの電子がイオン源に戻るのを防止するために、減速電極１３は抽出電極１１の内部及び下流に位置する。これにより上記電子を抽出されたイオンビームに蓄積させることができ、イオンビームの空間電荷の拡大を防止することができる。加速抽出電極１１と減速電極１３の間における約１．５ｋＶから２．０ｋＶの電圧の差は本発明の目的に対しては十分である。
【００３０】
出口開口部１２は、初期のビーム中の重イオンから陽子が分離される真空室４０に通じている。分離はイオン源１０と加速管３２との間に位置する双極子分解磁石２０によりなされるのが望ましい。双極子分解磁石２０は変動磁界の電磁石または固定磁界の永久磁石のいずれかであればよい。永久磁石は小型であるという利点を有し、電力供給装置または制御システムを必要としない。双極子分解磁石２０は、２原子水素や３原子水素イオンのような、イオン源１０により生成された陽子以外のイオンが加速機構３０に到達するのを防止するような磁界を生成するように構成されている。１実施例として双極子磁石２０は約４５度の角度となるが、アプリケーションによっては別の角度になってもよい。
【００３１】
双極子分解磁石２０は固定磁界の分解磁石であって、永久磁石材２８を一部に有して構成され、磁界の形状を制御する鉄片を有していてもよい。磁石材２８及び／または鉄片の正確な配置は変動してもよく、図７，８に一例を示す。磁石材２８は、好ましくは鉄により構成された磁極２７の後方に取り付けられ、磁極２７は単一の磁界形成機能を有する。陽子ビームの発散を減少させる為に、固定磁界分解磁石２０は曲面と当該直交方向のいずれにおいても焦点効果を生じさせる傾斜極勾配２５を有していてもよい。初期のダイナミトロン加速器とは対照的に、静電単レンズ及び、交差型質量分析器の使用は、空間電荷の拡大効果を無効にするためにビーム中においては低エネルギの電子を保持する必要があることから、大電流ビームにおいては妥当ではない。
【００３２】
好適な実施形態として、真空吸着ポンプ４３はイオン源１０と加速管３２とを接続する真空室４０に接続される。真空ポンプ４３は加速管３２への中性子ガスの流量を最小化する。真空ポンプ４３は水素ガスに対してポンプの速度が高速である吸着ポンプであってもよい。
【００３３】
イオン源から抽出されたビームの横方向寸法は測定される。ビームラインから外方向に延びる２つのアクチュエータはビームを通過する細いワイヤーを通すのに使用される。当該アクチュエータはリニアギヤにより駆動される。加速器システム１により生成された略三角形のビーム外形は図９に図示されている。
【００３４】
図９におけるデータが測定される際には、水平方向（Ｘ）のデータは、双極子磁石におけるビームの偏向を増加させるために抽出電圧を僅かに低下させることにより直交方向（Ｙ）のデータと相殺される。図９における水平方向及び垂直方向の表示における混乱を避けるためである。実際には、加速機構３０において抽出電圧は、加速管３２の軸を有する偏向した陽子ビームを整列させるために調整される。双極子磁石２０と加速管３２との間の陽子ビームの僅かな発散は、加速管３２の入り口における電界の突出という集束効果とは矛盾しない。コンピューターシミュレーションによればビーム外形は加速管３２に進入するにつれて発散型から収束型に移行する。ビームは加速器カラム３２中の一様な電界により加速中に略平行となるため、加速管３２（以下に詳述）の金属ダイノード３５（代替的に「加速電極」としても記載）の大きな開口部には衝突しない。このような状況においてビーム直径は加速管３２の出口で約２ｃｍ未満になる。出口におけるビーム直径は加速管３２の底部に位置する磁気４極子複レンズにより調整されることができる。
【００３５】
付随的に双極子分解磁石２０の出口付近、かつ加速管３２の入口前方には、図３、４に示すような小さい金属開口部３６が存在する。開口部３６は加速管３２のダイノード３５の内径未満の直径を有する。開口部３６は加速管３２に進入する中性子ガスの量を減少させる。さらに開口部３６は加速管３２に引き寄せられるビームの発散を制限する機能を有するため、加速した陽子は加速管３２内においてダイノード３５に衝突することはできない。
【００３６】
特に好適な実施例として、開口部３６の直径は約１インチであり、導電性ダイノード３５の内径は約３インチが望ましい。開口部３６は真空ポンプ４３と結合した状態での使用時に特に有効である。陽子イオン源から射出される中性子ガスはできるだけ最小化されるべきである。中性子ガスは真空吸着ポンプ４３により排出されるか、又は加速カラム３２に進入することができる。真空吸着ポンプと結合した状態での使用時に、開口部３６は真空吸着ポンプ４３の下流に位置し、排出される中性子ガスの割合を増大させ、加速管３２内の真空の純度をより高めることができる。
【００３７】
直流加速機構
図１，２に示す陽子加速機構３０のより好適な形態は、ダイナミトロン加速器のデザインに基づく。しかし、コッククロフトウォルトン連続結合型直列整流器システムや磁気結合型直列整流器システムのような他の直流加速器デザインが使用されてもよい。図１において高電圧直流電力供給装置５０は、加速カラム３２を周囲する、平行に一対となった直列の整流器アセンブリからなる。整流器アセンブリ３８は例えば約１００ｋＨｚの周波数で共振する自己調節無線周波数発振回路を有することにより電圧が加えられる（Ｍ．Ｒ．クレランド、外１名、「ダイナミトロンの未来」、原子核科学におけるＩＥＥＥトランザクション、Ｖｏｌ．ＮＳ−１２、Ｎｏ．３、ｐ２２７−２３４、１９６５、参照により本明細書に援用）。
【００３８】
一実施例として、整流器アセンブリ３８は、直列回路中に６０個の固体の整流器を有し、各整流器は最大で５０ｋＶを負担する。当該整流器アセンブリは３ＭＶの直流電位を生成し、５０ｍＡの連続電子ビーム電流又は１５０ｋＷのビーム電力を輸送することができる（一例として、Ｍ．Ｒ．クレランド、外３名、「産業上利用する大電力電子直流電子加速器」、加速器の利用における第３回全連邦会議、レニングラード、ソ連、１９７７年６月２６ー２８日、参照により本明細書に援用）。他の整流器アセンブリデザインを利用することも可能である。実際上、固体の整流器は加速システム１の必要電圧に応じて使用されてもよい。
【００３９】
上記実施例に示すように、加速管３２は２４０ｃｍ（約８ｆｔ）の有効長及びダイノード３５中の開口部の内径が約７．５ｃｍ（約３インチ）となる。当該長さと内径はアプリケーションに応じて変更してもよい。ダイノード３５は図３、４に示すように、散乱粒子が絶縁環に衝突するのを防止するために渦巻状になっている。絶縁環はダイノード３５を支持するとともに分離させており、ガラスから構成されるのが望ましい。図面では、他の構成をわかりにくくしないようにダイノード及び絶縁環の合計数の一部のみが図示されている。加速管３２内部でのイオンガスの衝突により放射された２次電子が高電圧端子に向かって逆方向に加速するのを防止するために、小さな永久磁石が数個の中間ダイノード３５に加えられてもよい。上記磁石は実質的に２次電子によるＸ線の生成を減少させる。
【００４０】
実施例に示すように加速管３２は、この実施例では高電圧発生器内の電力供給装置５０内部の同軸上に取り付けられる。高電圧電力供給装置はダイナミトロン加速器であることが望ましい。しかし、高電圧電力供給装置５０は高電圧、大電流を供給する装置であれば本実施例とは異なったものとして構成されてもよい。電力供給装置５０は加速管３２に加速電圧を供給し、従来技術でも知られているように様々な方法で接続することができる。電力供給装置５０は少なくても約０．３ＭＶ以上または５ｍＡ以上の性能を有することが望ましい。
【００４１】
加速管３２の出口上で、ビームは電力密度を減少させる為に走査されることが望ましい。１例として、ビームは加速カラム３２から走査磁石へ抜け出る。ビームは初期の小径のビームと比較して相対的に面積の大きな表面に拡張されることが望ましい。１例として、走査磁石には一方がＸ方向、もう一方がＹ方向に走査する、約１ｍ２の面積を有する一組の直交走査磁石が含まれる。他の実施例としてビームは中性子の生成においてリチウム薄層で被覆された対象の表面に拡散する。
【００４２】
外部ビーム輸送システム
ホウ素中性子補足療法（ＢＮＣＴ）において、加速陽子ビームは中性子の生成において２つの対象のいずれかに指向されてもよい。一方の対象は、異なる方向から癌患者治療用の回転構台に取り付けられる。もう一方は、回転構台の使用を必要としない治療用の固定位置に取り付けられる。加速器の軸上に設置された双極子磁石により、オペレータはビームを一方の対象から他方に切り替えることができる。加速管３２の底部付近の圧力容器内部に設置された磁気４極子レンズは、複合体ビーム輸送システムの主要な構成部品である。
【００４３】
上記以外の対象が他のアプリケーションに使用されてもよい。
【００４４】
リチウムターゲットアセンブリ
リチウム金属の薄層は、２つの水冷金属パネルの内側表面に堆積される。当該パネルは陽子ビームの対称軸を基準として約３０度傾斜して取り付けられ、陽子ビームは両パネルの表面をカバーするためにＸ、Ｙ方向に走査される。上記パネルの角度調節によりリチウム被膜の冷却を促進させる対象材料の面積は増加する。リチウムの厚さは、進入する陽子のエネルギを１．８９ＭｅＶに減少させるためには十分であり、１．８９ＭｅＶは中性子の生成におけるリチウムとベリウムの反応に必要なエネルギの閾値である。リチウムの厚さがより厚くなれば、中性子収率を増加させずにリチウム層に堆積されるエネルギを増加させることができる。リチウムは図５に示すように鉄の薄板上に堆積される。鉄はリチウム層を通過し、基材に留まる陽子からの水素膨れを生じさせないようにするための材料である。薄い鉄板の裏側には冷却フィンがあり、フィンは熱の除去に有効な厚い水冷銅板パネルと結合している。鉄板は、陽子が水素膨れを生じるおそれのある銅板パネルに到達するのを防止する。リチウム層は湿り空気への露出による劣化から保護するためにステンレススチールの極薄層で被覆されている。上記対象アセンブリの詳細な記述はＹ．ヨンゲン、外５名、ホウ素中性子補足療法用の中性子発生装置、国際特許Ｎｏ．ＷＯ２００８／０２５７３７ Ａ１、に記載され、全ての内容は参照として本明細書に援用する。
【００４５】
中性子ビーム成形アセンブリ
アセンブリは、中性子反射体、デリミタ―及び異なる材料でできたフィルターによって周囲された主要な減速材であるマグネシウムフッ化物から構成されている。主要な目的は最大エネルギが約２０ｋｅＶを超過しないように中性子エネルギースペクトルを減少させることである。これにより中性子収率を増加させるために閾値エネルギを超える数百ｋｅＶもの陽子ビームエネルギーを有するリチウム対象の放射を許容できる。また、腫瘍部位への吸収線量を集中させるために中性子ビームの直径を制限することもできる。上記ビーム成形アセンブリのより詳細な説明はＹ．ヨンゲン、外５名、ホウ素中性子補足療法用の中性子発生装置、国際特許出願ＮＯ．ＷＯ２００８／０２５７３７ Ａ１、に記載され、参考により本明細書に援用する。
【００４６】
代替手段
本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更や調整が可能であることは当業者であれば明らかであり、本出願はそのような実施形態をカバーすることを意図している。本発明の内容は発明を実施するための形態に記載されていると共に、全ての実施形態の範囲は特許請求の範囲を参照することで評価される。
【符号の説明】
【００４７】
１… 加速器システム、
１０… 陽子イオン源、
１１… 加速抽出電極、
１２… ビーム抽出開口部（出口開口部）、
１３… 減速電極、
１５… 固体マイクロ波発振器、
１６… 同軸ケーブル、
１７… プラズマ室、
１８… マイクロ波導波管、
１９… 永久磁石、
２０… 双極子分解磁石、
２５… 傾斜極勾配、
２７… 磁極、
２８… 永久磁石材、
３０… 加速機構、
３２… 加速管、
３５… 金属ダイノード、
３６… 金属開口部、
３８… 整流器アセンブリ、
４０… 真空室、
４３… 真空吸着ポンプ、
５０… 電力供給装置、
７１… 圧力容器、
７２… 絶縁支持部、
７５… 無線周波数電極、
７７… 無線周波数高電圧変圧器、
７９… 加速器管クーラ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．３ＭｅＶ以上の高エネルギで５ｍＡ以上の高電流を有する陽子ビームを加速する加速器システムであって、
複数の絶縁環により相互に離間された複数の導電性電極を有し、前記陽子ビームを加速する加速電界を提供するように構成された加速カラムを有する直流加速機構と、
当該直流加速機構に加速電圧を供給する０．３ＭｅＶ以上の電圧及び５ｍＡ以上の電流を有する電力供給装置と、
ビーム抽出孔を通過し、標準状態で毎分３ｃｍ３未満の中性子水素ガスを放出する一方で、５ｍＡ以上の陽子ビームを供給する、ビーム抽出開口部を有する陽子イオン源と、
前記イオン源と前記加速カラムの間に設置され、前記イオン源により生成された陽子以外のイオンが前記加速機構に到達するのを防止する双極子分解磁石と、
を有する加速器システム。
【請求項２】
前記イオン源と前記加速機構とを接続する真空室に接続される真空ポンプをさらに有する請求項１に記載の加速器システム。
【請求項３】
前記電力供給装置はダイナミトロン構造である請求項１に記載の加速器システム。
【請求項４】
前記イオン源は、ガスをイオン化するマイクロ波を利用する請求項１に記載の加速器システム。
【請求項５】
前記イオン源は、ガスのイオン化に電子サイクロトン共鳴を使用する請求項４に記載の加速器システム。
【請求項６】
前記双極子分解磁石は、固定磁界分解磁石である請求項１に記載の加速器システム。
【請求項７】
前記固定磁界分解磁石は２重焦点となるように構成されている請求項６に記載の加速器システム。
【請求項８】
２次電子が前記加速カラム内に逆行して加速されるのを防止するために、前記加速カラムの周囲に配置された永久磁石材要素をさらに有する請求項１に記載の加速器システム。
【請求項９】
前記加速カラムの電極の直径未満の直径を有する開口部が、前記加速機構の入り口に配置されている請求項１に記載の加速器システム。
【請求項１０】
前記加速カラムの電極の直径未満の直径を有し、前記加速機構の入り口に配置される開口部をさらに有する請求項２に記載の加速器システム。
【請求項１１】
前記加速ビームは、受光面上のビームを走査する１組の直交走査磁石により、前記受光面上に少なくとも１ｍ２以上に拡張される請求項１に記載の加速器システム。
【請求項１】
０．３ＭｅＶ以上の高エネルギで５ｍＡ以上の高電流を有する陽子ビームを加速する加速器システムであって、
複数の絶縁環により相互に離間された複数の導電性電極を有し、前記陽子ビームを加速する加速電界を提供するように構成された加速カラムを有する直流加速機構と、
当該直流加速機構に加速電圧を供給する０．３ＭｅＶ以上の電圧及び５ｍＡ以上の電流を有する電力供給装置と、
ビーム抽出孔を通過し、標準状態で毎分３ｃｍ３未満の中性子水素ガスを放出する一方で、５ｍＡ以上の陽子ビームを供給する、ビーム抽出開口部を有する陽子イオン源と、
前記イオン源と前記加速カラムの間に設置され、前記イオン源により生成された陽子以外のイオンが前記加速機構に到達するのを防止する双極子分解磁石と、
を有する加速器システム。
【請求項２】
前記イオン源と前記加速機構とを接続する真空室に接続される真空ポンプをさらに有する請求項１に記載の加速器システム。
【請求項３】
前記電力供給装置はダイナミトロン構造である請求項１に記載の加速器システム。
【請求項４】
前記イオン源は、ガスをイオン化するマイクロ波を利用する請求項１に記載の加速器システム。
【請求項５】
前記イオン源は、ガスのイオン化に電子サイクロトン共鳴を使用する請求項４に記載の加速器システム。
【請求項６】
前記双極子分解磁石は、固定磁界分解磁石である請求項１に記載の加速器システム。
【請求項７】
前記固定磁界分解磁石は２重焦点となるように構成されている請求項６に記載の加速器システム。
【請求項８】
２次電子が前記加速カラム内に逆行して加速されるのを防止するために、前記加速カラムの周囲に配置された永久磁石材要素をさらに有する請求項１に記載の加速器システム。
【請求項９】
前記加速カラムの電極の直径未満の直径を有する開口部が、前記加速機構の入り口に配置されている請求項１に記載の加速器システム。
【請求項１０】
前記加速カラムの電極の直径未満の直径を有し、前記加速機構の入り口に配置される開口部をさらに有する請求項２に記載の加速器システム。
【請求項１１】
前記加速ビームは、受光面上のビームを走査する１組の直交走査磁石により、前記受光面上に少なくとも１ｍ２以上に拡張される請求項１に記載の加速器システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公表番号】特表２０１２−５００４５４（Ｐ２０１２−５００４５４Ａ）
【公表日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５２３０９８（Ｐ２０１１−５２３０９８）
【出願日】平成２１年８月１１日（２００９．８．１１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０５３４１９
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０１９５８４
【国際公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【出願人】（５０６０３５５６６）イオンビーム アプリケーションズ， エス．エー． (5)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月１１日（２００９．８．１１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０５３４１９
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０１９５８４
【国際公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【出願人】（５０６０３５５６６）イオンビーム アプリケーションズ， エス．エー． (5)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]