特許 6771926 イオン源装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6771926

(24)【登録日】2020年10月2日

(45)【発行日】2020年10月21日

(54)【発明の名称】イオン源装置

(51)【国際特許分類】

   H01J 27/20 20060101AFI20201012BHJP

   H01J 37/08 20060101ALI20201012BHJP

   H05H 13/00 20060101ALN20201012BHJP

   H05H 1/24 20060101ALN20201012BHJP

【ＦＩ】

   H01J27/20

   H01J37/08

   !H05H13/00

   !H05H1/24

【請求項の数】3

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2016-70402(P2016-70402)

(22)【出願日】2016年3月31日

(65)【公開番号】特開2017-183145(P2017-183145A)

(43)【公開日】2017年10月5日

【審査請求日】2018年12月18日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100162640

【弁理士】

【氏名又は名称】柳 康樹

(72)【発明者】

【氏名】日朝 俊一

(72)【発明者】

【氏名】谷口 愛実

【審査官】 小林 直暉

(56)【参考文献】

【文献】 実開平０５−０７３８４９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００１−１６７７０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１３４０４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５２２９６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２０２８９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−１０８４２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−１８５６４７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｊ２７／００−２７／２６

３７／０４

３７／０６−３７／０８

３７／２４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電子を放出し、第１のサポートを介して真空箱に支持される一対の第１の電極と、
前記電子が閉じ込められると共に原料ガスが供給される領域を前記一対の第１の電極の間に画成し、前記電子と前記原料ガスとが衝突して発生したイオンが引き出される孔部を有する第２の電極と、
前記第２の電極との間で電位差を形成するように、前記第２の電極から引き出された前記イオンの引出方向に沿って前記第２の電極から離間して配置され、第２のサポートを介して前記真空箱に支持される引出電極と、
前記第２の電極と前記引出電極との間に設けられ、一方の前記第１のサポートと前記第２のサポートとの間に配置されて絶縁部材を介して前記第２のサポートに取り付けられた第３のサポートを介して前記真空箱に支持される中間電極と、
前記中間電極の電位を、前記第２の電極から引き出されたイオンの引出電流値を増大するように調整する電位調整部と、を備え、
前記第２の電極と前記中間電極との間の第１の電位差は、前記第２の電極と前記引出電極との間の第２の電位差よりも大きい、イオン源装置。

【請求項2】

前記第２の電極の電位は、正の電位であり、
前記中間電極の電位は、負の電位であり、
前記引出電極の電位は、接地電位である、請求項１に記載のイオン源装置。

【請求項3】

前記第２の電極と前記中間電極との間の距離を制御するために、前記中間電極の位置を調整する位置調整部をさらに備える、請求項１又は２に記載のイオン源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、イオン源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、粒子加速システムとして、イオンを生成するイオン源装置と、イオンを加速させる加速器と、イオン源装置から加速器へイオンを輸送する輸送部と、を備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような粒子加速システムでは、イオン源装置の容器内に磁場が形成されると共に、当該容器内に電子及び気体分子が導入される。このとき、磁場の強度が適切に調整されていれば、磁場の作用によって電子が容器内に閉じ込められる。容器内に閉じ込められた電子は気体分子に衝突し、その結果、容器内においてプラズマの状態のイオンが生成する。そして、容器から離間した位置に設けられた引出電極に引出電圧が印加されると、引出電圧に対応したエネルギにてイオンが容器内から引き出される。引き出されたイオンは、輸送部によって加速器に輸送される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００２−２５７９７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

イオン源装置においては、引出電流値の増加が望まれている。イオン源装置の引出電流値は、イオンが生成される容器と引出電極との間の距離や電位差といったパラメータにより決定される。しかし、これらのパラメータは、引出エネルギやイオンビームのエミッタンスといったイオン源装置へ要求される別の性能から決定されてしまう。従って、引出電流値を増大させるためにパラメータを自由に設定することができないので、引出電流値を増大させることが難しかった。

【0005】

そこで、本発明では、イオン源装置への要求性能を満たしつつ、引出電流値を増大させることが可能なイオン源装置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】

【0006】

本発明の一形態に係るイオン源装置は、電子を放出する一対の第１の電極と、電子が閉じ込められると共に原料ガスが供給される領域を一対の第１の電極の間に画成し、電子と原料ガスとが衝突して発生したイオンが引き出される孔部を有する第２の電極と、第２の電極との間で電位差を形成するように、第２の電極から引き出されたイオンの引出方向に沿って第２の電極から離間して配置された引出電極と、第２の電極と引出電極との間に設けられた中間電極と、を備え、第２の電極と中間電極との間の第１の電位差は、第２の電極と引出電極との間の第２の電位差よりも大きい。

【0007】

この装置によれば、第２の電極が画成する領域で生成されたイオンは、第２の電極と中間電極との電位差に対応する引出電流値と引出エネルギをもって孔部から引き出される。そして、中間電極と引出電極との間において、引出エネルギが中間電極と引出電極との電位差に対応するように変化するが、引出電流値は維持される。従って、引出エネルギは、第２の電極と引出電極との間の第２の電位差に基づいて決定される。この第２の電位差は、要求される引出エネルギを満たすように決定することができる。一方、引出電流値は、第２の電極と中間電極との間の第１の電位差に基づいて決定される。従って、引出電流値を決定する電位差を、引出エネルギを決定する電位差に左右されることなく設定することが可能になる。そして、第１の電位差は、第２の電位差よりも大きいので、引出エネルギに基づく電位差により決定される引出電流値よりも増大させることができる。これにより、要求される引出エネルギを満たしつつ、引出電流量を増大させることができる。

【0008】

第２の電極の電位は、正の電位であり、中間電極の電位は、負の電位であり、引出電極の電位は、接地電位であってもよい。この構成によれば、所望の引出エネルギと所望の引出電流値とを有する正のイオンを引き出すことができる。

【0009】

中間電極の電位を調整する電位調整部をさらに備えてもよい。この構成によれば、第２の電極と中間電極との間の第１の電位差を調整することが可能になる。第１の電位差は、引出電流値を決定する。従って、引出電流値の大きさを制御することができる。

【0010】

第２の電極と中間電極との間の距離を制御するために、中間電極の位置を調整する位置調整部をさらに備えてもよい。この構成によれば、第２の電極と中間電極との間の距離を調整することが可能になる。この距離は、引出電流値を決定する。従って、引出電流値の大きさを制御することができる。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、要求性能を満たしつつ、引出電流値を増大させることが可能なイオン源装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、本発明の実施形態に係るイオン源装置を備えた粒子加速システムを示す図である。

【図2】図２は、第１実施形態に係るイオン源装置の内部構造をＺ軸正方向から見た断面図である。

【図3】図３は、実施形態に係るイオン源装置が備えるアノード電極、引出電極及び中間電極との配置と、電位との関係とを模式的に示す図である。

【図4】図４は、第２実施形態に係るイオン源装置の内部構造をＺ軸正方向から見た断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【0014】

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係るイオン源装置を有する粒子加速システムを示す正面図である。図１に示すように、粒子加速システム１Ａは、イオン源装置１０Ａ、加速器３０、輸送部４０及び支持部５０を備える。以下の説明においては、粒子加速システム１Ａを水平面に載置した状態における装置の上下方向をＺ軸方向とし、後述するイオンの輸送経路Ｐを含む平面内、且つ、Ｚ軸方向に垂直な方向をＸ軸方向とし、Ｚ軸方向及びＸ軸方向に垂直な方向をＹ軸方向とする。粒子加速システム１Ａは、例えばα粒子、陽子、重陽子等のイオンを生成すると共に加速させる。粒子加速システム１Ａは、加速させたイオンを、例えば陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ：Positron Emission Tomography）、中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ：Boron Neutron Capture Therapy）等を行う装置に供給する。

【0015】

粒子加速システム１Ａにおいて、イオン源装置１０Ａと加速器３０とは、輸送部４０によって互いに接続される。イオン源装置１０Ａ、加速器３０及び輸送部４０は、ＺＸ平面上に配置される。イオン源装置１０Ａに対してＸ軸正方向側に輸送部４０が配置され、輸送部４０のＺ軸正方向側に加速器３０が配置される。また、イオン源装置１０Ａの下方（Ｚ軸負方向）側に支持部５０が設けられる。粒子加速システム１Ａは、台座Ｓ上に載置される。

【0016】

イオン源装置１０Ａは、気体分子からプラズマの状態のイオンを生成する装置である。イオン源装置１０Ａは、複数種類のイオンを生成可能である。イオン源装置１０Ａは、例えばヘリウムからα粒子を生成可能であり、また、水素から陽子を生成可能である。なお、イオン源装置１０Ａは、必ずしもα粒子及び陽子を生成可能でなくてもよい。イオン源装置１０Ａの具体的な構成については後述する。

【0017】

加速器３０は、イオン源装置１０Ａによって生成されたイオンを加速して、荷電粒子線を作り出す。本実施形態においては、加速器３０として、サイクロトロンを例示している。なお、加速器３０は、サイクロトロンに限定されず、シンクロトロン、シンクロサイクロトロン、ライナック等であってもよい。

【0018】

加速器３０は、略円筒形状を呈し、その中心軸線Ｌ２がＺ軸方向に延在する向きに配置される。加速器３０は、イオン源装置１０Ａよりも、Ｚ軸方向において高い位置に配置される。加速器３０は、加速されるべきイオンが加速器３０の所定位置に入射されると、そのイオンを加速する。この加速器３０では、加速されるべきイオンは、加速器３０の下面（Ｚ軸負方向の面）側の中心部に開口した入射部３０ａに入射される。なお、加速器３０の中心軸線Ｌ２は、Ｚ軸方向に延在していなくてもよく、例えば、図中に示す粒子加速システム１Ａ全体がＹ軸を中心として９０°回転した状態とされて、中心軸線Ｌ２がＸ軸方向に延在してもよい。また、図中に示す粒子加速システム１Ａ全体がＸ軸を中心として９０°回転した状態とされて、中心軸線Ｌ２がＹ軸方向に延在してもよい。この場合、イオン源装置１０Ａの中心軸線Ｌ１はＸＹ平面内に位置する。

【0019】

輸送部４０は、イオン源装置１０Ａによって生成されたイオンを、イオン源装置１０Ａから加速器３０へ輸送する。輸送部４０は、アインツェルレンズ４１、偏向電磁石４２及びベローズ４３を有する。アインツェルレンズ４１は、輸送されるイオンを収束させる。偏向電磁石４２は、磁場を生成し、当該磁場によって、アインツェルレンズ４１を通過したイオンの輸送方向をＺＸ平面内において曲げる。偏向電磁石４２は、イオンを加速器３０の入射部３０ａへ案内する。

【0020】

支持部５０は、イオン源装置１０Ａを支持する機構である。支持部５０は、イオン源装置１０Ａに対して着脱可能な複数の架台である。なお、支持部５０を構成する複数の架台のそれぞれは、輸送部４０に対してイオン源装置１０Ａが互いに異なる取付角度及び取付位置となるように、イオン源装置１０Ａを支持してもよい。すなわち、支持部５０は、これら着脱可能な複数の架台を交換することにより、輸送部４０に対するイオン源装置１０Ａの取付角度及び取付位置を調整可能である。支持部５０は、イオン源装置１０Ａと接続される側とは反対側において、台座Ｓに支持されている。

【0021】

以下、イオン源装置１０Ａの構成について詳細に説明する。

【0022】

イオン源装置１０Ａは、加速器３０の外部に設けられた外部イオン源である。イオン源装置１０Ａは、略円筒形状を呈し、その中心軸線Ｌ１はＺＸ平面内に位置する。イオン源装置１０Ａは、延在方向における一端において、中心軸線Ｌ１に対して斜めに傾斜した端面１０ａを有する。イオン源装置１０Ａは、端面１０ａが略垂直となるように配置される。端面１０ａは、輸送部４０のアインツェルレンズ４１における筐体４１ａのＸ軸負方向側の外面に対向する。イオン源装置１０Ａは、ＺＸ平面内において、端面１０ａ側である一端側が他端側よりもＺ軸方向において高い位置となるように、中心軸線Ｌ１が傾いて配置される。

【0023】

図２は、図１のイオン源装置１０Ａの内部構造をＺ軸正方向から見た断面図である。図２に示すように、イオン源装置１０Ａは、真空箱１１、気体分子流路１２、電極１３、電磁石１４、引出電極１５及び中間電極１６を有する。

【0024】

真空箱１１は、イオン源装置１０Ａの内部に配置される。真空箱１１は、図示しない真空ポンプと接続されており、その内部を真空状態に保持する。真空箱１１は、気体分子流路１２を介して、内部に原料ガスとしての気体分子を導入する。例えば、イオンとしてα粒子が生成される場合には、気体分子としてヘリウムを用いる。なお、α粒子以外のイオンが生成される場合には、そのイオンに対応した気体分子を用いる。

【0025】

電磁石１４は、真空箱１１内に磁場を形成する。電磁石１４は、Ｙ軸方向において真空箱１１を挟むように対を成して設けられる。これにより、電磁石１４は、真空箱１１内に、Ｙ軸方向に概略沿った方向の磁場を形成する。電磁石１４は、真空箱１１内に形成する磁場の強度を適切に調整することにより、磁場の作用によって真空箱１１内に電子を閉じ込める。

【0026】

電極１３は、アノード電極１３ａ（第２の電極）と、一対のカソード電極１３ｂ，１３ｂ（第１の電極）とを有する。アノード電極１３ａは、Ｙ軸方向視における真空箱１１の中央付近に設けられる。一対のカソード電極１３ｂ，１３ｂは、中心軸線Ｌ１と交差する方向（即ちＹ軸方向）にアノード電極１３ａを挟むように設けられる。

【0027】

アノード電極１３ａは、Ｙ軸方向に沿った中心軸線Ｌ３を有する円筒状を成し、サポート１７によって真空箱１１に対し支持されて真空箱１１内に設けられる。なお、アノード電極１３ａの中心軸線Ｌ３の方向は、イオン源装置１０Ａの中心軸線Ｌ１に沿った方向としてもよい。アノード電極１３ａの円筒面には、サポート１７に設けられた気体分子流路１２の先端が接続され、気体分子流路１２を介してアノード電極１３ａに気体分子が導入される。また、アノード電極１３ａには、サポート１７に設けられた電気配線１７ａを介して所定の電位が与えられる。例えば、アノード電極１３ａには、正の電位である+１６ｋＶが与えられる。アノード電極１３ａのＹ軸方向に沿った両端面は、カソード電極１３ｂ，１３ｂと対面する。それぞれの両端面の略中央には、カソード電極１３ｂから放出された電子を受け入れるための受入孔部１３ａｂが設けられる。アノード電極１３ａの円筒面には、イオンを引き出すためのスリット１３ａａ（孔部）が設けられる。スリット１３ａａは、中心軸線Ｌ１上に設けられる。

【0028】

カソード電極１３ｂは、例えば熱電子放出によって真空箱１１内に電子を供給する。具体的には、アノード電極１３ａの受入孔部１３ａｂを介して、アノード電極１３ａの内部に電子を供給する。カソード電極１３ｂは、冷却配管１８に接続され、冷却配管１８によって真空箱１１に対し支持されている。カソード電極１３ｂは、冷却配管１８中を流通する冷媒によって冷却される。冷却配管１８と真空箱１１との接点には真空シール１９が配置されている。また、カソード電極１３ｂ，１３ｂには、冷却配管１８に設けられた電気配線１８ａを介して所定の電位が与えられる。

【0029】

電極１３においては、一方のカソード電極１３ｂから電子（ｅ⁻）が放出され、一対のカソード電極１３ｂ，１３ｂ間で電子が往復する。この際、電磁石１４により、アノード電極１３ａの円筒軸方向（Ｙ軸方向）に磁場が生成されると、電子は、螺旋運動をしながら、アノード電極１３ａに衝突することなくアノード電極１３ａ内に閉じ込められる。アノード電極１３ａ内において一対のカソード電極１３ｂ，１３ｂ間を往復する電子が、気体分子流路１２により導入されたヘリウム等の気体分子と衝突することで、α粒子等のイオンが生成される。

【0030】

引出電極１５は、引出電圧が印加されることによって、真空箱１１内からイオンを引き出す。引出電極１５は、印加される引出電圧に対応した引出エネルギで、真空箱１１内からイオンを引き出す。すなわち、真空箱１１から引き出されたイオンは、アノード電極１３ａの電位（Ｖａ）と引出電極１５の電位（Ｖｐ）との電位差（ΔＶ２＝Ｖａ−Ｖｐ）に対応した引出エネルギを有する。

【0031】

引出電極１５は、一例として、タングステン製の厚さが４ｍｍ程度である平板であり、アノード電極１３ａから引き出されたイオンを通過させる孔１５ａを有する。孔１５ａは、一例として、高さ１０ｍｍ、幅２０ｍｍの矩形状である。この孔１５ａの中心軸線は、中心軸線Ｌ１に一致する。引出電極１５は、中心軸線Ｌ１に沿ってアノード電極１３ａから第２の距離（Ｄ２：図３参照）だけ離間するようにサポート２１を介して真空箱１１内に配置される。サポート２１は、一端に引出電極１５が取り付けられ、他端は真空シール１９を介して真空箱１１の外部に導かれる。サポート２１には、引出電極１５に所定の電位を与えるための電気配線２１ａが設けられる。引出電極１５には、例えば、接地電位（すなわちゼロ電位）が与えられる。従って、アノード電極１３ａの電位（Ｖａ＝＋１６ｋＶ）と引出電極１５の電位（Ｖｐ＝０ｋＶ）との間において、アノード電極１３ａから見た第２の電位差（ΔＶ２）は、−１６ｋＶであり、真空箱１１から引き出されるイオンはこの第２の電位差（ΔＶ２）に応じた引出エネルギを有する。

【0032】

中間電極１６は、一例として、タングステン製の厚さが３ｍｍ程度である平板であり、アノード電極１３ａから引き出されたイオンを通過させる孔１６ａを有する。孔１６ａは、一例として、高さ１０ｍｍ、幅２０ｍｍの矩形状である。この孔１６ａの中心軸線は、中心軸線Ｌ１に一致する。中間電極１６は、中心軸線Ｌ１に沿ってアノード電極１３ａから第１の距離（Ｄ１：図３参照）だけ離間するようにサポート２１，２２を介して真空箱１１内に配置される。一例として、引出電極１５から中間電極１６までの第３の距離（Ｄ３：図３参照）は、３．５ｍｍ程度である。第１の距離（Ｄ１）は、一例として７ｍｍである。中間電極１６が取り付けられたサポート２２は、絶縁ガイシ２３を介して引出電極１５が取り付けられたサポート２１に取り付けられる。また、サポート２２の他端は、真空シール１９を介して真空箱１１の外部に導かれる。サポート２２には、中間電極１６に所定の電位を与えるための電気配線２２ａが設けられる。中間電極１６には、例えば、負の電位が与えられる。中間電極１６の電位（Ｖｍ）は、アノード電極１３ａの電位（Ｖａ）を基準にすると−１６ｋＶ以上４６ｋＶ以下の値を取り得る。また、中間電極１６の電位（Ｖｍ）は、グランド電位を基準にすると０ｋＶ以上３０ｋＶ以下の値を取り得る。一例として、中間電極１６の電位（Ｖｍ）が−３０ｋＶであるとする。この場合、アノード電極１３ａの電位（Ｖａ＝＋１６ｋＶ）と中間電極１６の電位（Ｖｍ＝−３０ｋＶ）との第１の電位差（ΔＶ１）は、４６ｋＶであり、真空箱１１から引き出されるイオンはこの第１の電位差（ΔＶ１）に応じた引出電流値を有する。

【0033】

以下、イオン源装置１０Ａの作用効果について詳細に説明する。図３は、実施形態に係るイオン源装置１０Ａが備えるアノード電極１３ａ、引出電極１５及び中間電極１６との配置と、電位との関係とを模式的に示す図である。

【0034】

図３に示されるように、引出電極１５は、アノード電極１３ａに対して中心軸線Ｌ１に沿って第２の距離（Ｄ２）だけ離間する。中間電極１６は、アノード電極１３ａに対して中心軸線Ｌ１に沿って第１の距離（Ｄ１）だけ離間する。そしてアノード電極１３ａの電位（Ｖａ）は一例として＋１６ｋＶであり、引出電極１５の電位（Ｖｐ）は一例としてゼロであり、中間電極１６の電位（Ｖｍ）は一例として−３０ｋＶである。従って、アノード電極１３ａと中間電極１６との第１の電位差（ΔＶ１）は、４６ｋＶであり、アノード電極１３ａと引出電極１５との第２の電位差（ΔＶ２）は、１６ｋＶであり、中間電極１６と引出電極１５と第３の電位差（ΔＶ３）は、３０ｋＶである。ここで、第１の電位差（ΔＶ１）は、イオン源装置１０Ａに要求される引出電流値を満たすように設定される。また、第２の電位差（ΔＶ２）は、イオン源装置１０Ａに要求される引出エネルギを満たすように設定される。

【0035】

まず、アノード電極１３ａの内部で生成されたイオンは、第１の電位差（ΔＶ１）に基づいて、アノード電極１３ａのスリット１３ａａから引き出される。この引き出されたイオンは、第１の電位差（ΔＶ１）に基づく引出エネルギと引出電流値とを有する。ここで、引出エネルギとは、個々のイオンが有する速度に対応する速度エネルギとも言える。また、引出電流値とは、スリット１３ａａから引き出されるイオンの数であるとも言える。換言すると、第１の電位差（ΔＶ１）に基づいて加速されることにより所定の速度エネルギが与えられたイオンが、第１の電位差（ΔＶ１）に基づく数だけアノード電極１３ａから引き出される。ここで、第１の電位差（ΔＶ１）は、第２の電位差（ΔＶ２）よりも大きい。従って、引出エネルギ及び引出電流値は、中間電極１６を設けない場合よりも大きくなる。

【0036】

イオンは、中間電極１６の孔１６ａを通過して、中間電極１６と引出電極１５との間の領域に到達する。この領域では、第２の電位差（ΔＶ２）に基づいてイオンの特性が変化する。

【0037】

まず、孔１６ａを通過した後に引出電極１５の孔１５ａを通過して真空箱１１から引き出されるイオンの数は、第３の電位差（ΔＶ３）よって増減することはない。従って、引出電流値は、第１の電位差（ΔＶ１）の影響を受けるが、第３の電位差（ΔＶ３）の影響は受けないので、引出電極１５の存在は、最終的な引出電流値の大きさに影響を与えない。このため、中間電極１６を設けない場合よりも大きくされた引出電流値は維持される。

【0038】

一方、個々のイオンは第３の電位差（ΔＶ３）に基づいて減速され、最終的に、第２の電位差（ΔＶ２）に基づく速度に収束する。すなわち、引出エネルギは、結果的に第２の電位差（ΔＶ２）に基づく大きさに収束する。このため、中間電極１６によって要求値よりも大きくされた引出エネルギは、要求値に収束する。従って、引出エネルギの点からみれば、中間電極１６の存在は、結果的に引出エネルギの大きさに影響を与えない。

【0039】

従って、中間電極１６を設けることにより、引出エネルギの要求値を満たしながら、引出電流値を増加させることができる。

【0040】

ここで、イオン源装置１の引出電流値は、空間電荷制限電流密度に依存する。空間電荷制限電流密度は、チャイルド・ラングミュアーの法則（Child-Langmuirの法則）によれば、下記式（１）により示される。式（１）によれば、空間電荷制限電流密度は、電圧値の３／２乗倍である。

【数1】

Ｊ_ＣＬ：空間電荷制限電流密度
Ｖ：引出電圧
ｄ：電極間距離
式（１）によれば、引出電流値を大きくするためには、電極間距離（ｄ）を小さくする、或いは、引出電圧（Ｖ）を大きくすることが考えられる。しかし、電極間距離（ｄ）は、絶縁破壊やイオンビームのエミッタンスの点から取り得る値は制限される。また、引出電圧（Ｖ）は、本実施形態における第２の電位差（ΔＶ２）に対応する。第２の電位差（ΔＶ２）は、引出エネルギから決定される。

【0041】

そこで、このイオン源装置１０Ａによれば、アノード電極１３ａが画成する領域で生成されたイオンは、アノード電極１３ａと中間電極１６との電位差（ΔＶ１）に対応する引出電流値と引出エネルギをもってスリット１３ａａから引き出される。そして、中間電極１６と引出電極１５との間において、引出エネルギが中間電極１６と引出電極１５との電位差（ΔＶ３）に対応するように変化するが、引出電流値は中間電極１６と引出電極１５との電位差（ΔＶ３）に関係なく維持される。従って、引出エネルギは、アノード電極１３ａと引出電極１５との間の第２の電位差（ΔＶ２）に基づいて決定される。この第２の電位差（ΔＶ２）は、要求される引出エネルギを満たすように決定することができる。一方、引出電流値は、アノード電極１３ａと中間電極１６との間の第１の電位差（ΔＶ１）に基づいて決定される。従って、引出電流値を決定する電位差（ΔＶ１）を、引出エネルギを決定する電位差（ΔＶ２）に左右されることなく設定することが可能になる。そして、第１の電位差（ΔＶ１）は、第２の電位差（ΔＶ２）よりも大きいので、引出エネルギに基づく電位差（ΔＶ２）により決定される引出電流値よりも増大させることができる。これにより、要求される引出エネルギを満たしつつ、引出電流量を増大させることができる。

【0042】

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係るイオン源装置について説明する。図４に示されるように、イオン源装置１０Ｂは、引出電流値を調整可能な点で、第１実施形態のイオン源装置１０Ａと相違する。イオン源装置１０Ｂは、電位調整部２４と、位置調整部２６とを有する。

【0043】

電位調整部２４は、電源６０と中間電極１６とを接続する電気配線２２ａの途中に設けられる。電位調整部２４は、中間電極１６に与える電位を調整する。中間電極１６の電位（Ｖｍ）が変わると、第１の電位差（ΔＶ１）が変わる。第１の電位差（ΔＶ１）は、既に述べたように引出電流値に影響する。従って、電位調整部２４によれば、引出電流値を制御することができる。例えば、電位調整部２４によれば、中間電極１６を設けない場合に対して、引出電流値を１倍以上３倍以下程度の範囲において制御することができる。

【0044】

引出電流値は、既に述べたように空間電荷制限電流密度に依存する。空間電荷制限電流密度を示すチャイルド・ラングミュアーの法則によると、引出電流値は、アノード電極１３ａと中間電極１６と第１の電位差（ΔＶ１）に加えて、アノード電極１３ａと中間電極１６との間の距離（Ｄ１）にも依存する。具体的には、引出電流値を増加させるためには、距離（Ｄ１）を小さくすればよく、引出電流値を減少させるためには、距離（Ｄ１）を大きくすればよい。そこで、位置調整部２６を用いてアノード電極１３ａに対する中間電極１６の位置を調整する。位置調整部２６は、一例として中心軸線Ｌ１に沿った方向に１０ｍｍ程度のストロークを有する。位置調整部２６によれば、中間電極１６を設けない場合に対して、引出電流値をある程度の倍率の範囲において制御することができる。

【0045】

以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

【0046】

例えば、上記実施形態では、正のイオンが引き出される場合を例に説明した。実施形態のイオン源装置は、負のイオンが引き出される構成であってもよい。この場合には、アノード電極１３ａに負の電位が与えられ、中間電極１６に正の電位が与えられ、引出電極１５にはゼロの電位が与えられる。このような構成であっても、上記実施形態と同様に、引出エネルギの要求値を満たしながら、引出電流値を増加させることができる。

【0047】

また、上記実施形態では、アノード電極１３ａの電位を＋１６ｋＶとし、中間電極１６の電位を−３０ｋＶとし、引出電極１５の電位をゼロとしたが、これらの大きさに限定されない。アノード電極１３ａの電位（Ｖａ）、中間電極１６の電位（Ｖｍ）、及び引出電極１５の電位（Ｖｐ）は、第１の電位差（ΔＶ１）と第２の電位差（ΔＶ２）との関係（ΔＶ１＞ΔＶ２）を満たす所望の値としてよい。

【符号の説明】

【0048】

１Ａ…粒子加速システム、１０Ａ，１０Ｂ…イオン源装置、１１…真空箱、１２…気体分子流路、１３…電極、１３ａ…アノード電極、１３ａａ…スリット、１３ａｂ…受入孔部、１３ｂ…カソード電極、１４…電磁石、１５…引出電極、１５ａ…孔、１６…中間電極、１６ａ…孔、１７，２１，２２…サポート、１７ａ，１８ａ，２１ａ，２２ａ…電気配線、１８…冷却配管、１９…真空シール、２３…絶縁ガイシ、２４…電位調整部、２６…位置調整部、３０…加速器、４０…輸送部、５０…支持部、６０…電源。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】