特許 7225010 イオン生成装置、方法及びプログラム

(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】

(24)【登録日】2023-02-10

(45)【発行日】2023-02-20

(54)【発明の名称】イオン生成装置、方法及びプログラム

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/04 20060101AFI20230213BHJP

   H05H 7/08 20060101ALI20230213BHJP

   G21K 1/093 20060101ALI20230213BHJP

   H01J 37/08 20060101ALI20230213BHJP

【ＦＩ】

H01J37/04 Z

H05H7/08

G21K1/093 D

H01J37/08

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2019074962

(22)【出願日】2019-04-10

(65)【公開番号】P2020173966

(43)【公開日】2020-10-22

【審査請求日】2022-02-01

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001380

【氏名又は名称】弁理士法人東京国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】竹内 猛

(72)【発明者】

【氏名】山口 晶子

【審査官】右▲高▼ 孝幸

(56)【参考文献】

【文献】特開平０９－０９７７６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６１－０１９０３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００９－５２４９０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０１－１３７５４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】韓国公開特許第１０－２０１０－００６９２５７（ＫＲ，Ａ）

【文献】実開平０２－０２５１５７（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｊ ３７

Ｈ０１Ｊ ２７

Ｈ０５Ｈ ７

Ｇ２１Ｋ １

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

真空チャンバ内で電離生成した第１イオン及び第２イオンを混合状態のまま開口から放出させるイオン生成エネルギー設定部と、
前記開口と引き出し電極との間に形成される電位ポテンシャルを第１電界電圧及び第２電界電圧に切り替えて印加し、前記第１イオン及び前記第２イオンの各々に、予め定められた同一の核子当りエネルギーを付与する電界電圧調節部と、
分離電磁石のコイルに第１励磁電流及び第２励磁電流を切り替えて供給し、前記第１イオン及び前記第２イオンを異なるタイミングで出力させる励磁電流調節部と、を備え、
前記イオン生成エネルギー設定部は、イオン生成エネルギー供給部の出力強度を、前記タイミングに応じて切り替えるイオン生成装置。

【請求項2】

真空チャンバ内で電離生成した第１イオン及び第２イオンを混合状態のまま開口から放出させるイオン生成エネルギー設定部と、
前記開口と引き出し電極との間に形成される電位ポテンシャルを第１電界電圧及び第２電界電圧に切り替えて印加し、前記第１イオン及び前記第２イオンの各々に、予め定められた同一の核子当りエネルギーを付与する電界電圧調節部と、
分離電磁石のコイルに第１励磁電流及び第２励磁電流を切り替えて供給し、前記第１イオン及び前記第２イオンを異なるタイミングで出力させる励磁電流調節部と、
異なるタイミングで入射した前記第１イオン及び前記第２イオンを加速させる線形加速器と、
前記線形加速器で加速された前記第１イオン及び前記第２イオンを、それぞれ別々の輸送路に分配する分配器と、を備え、
前記同一の核子当りエネルギーは、前記線形加速器の仕様として規定されている入射エネルギーに対応するものであるイオン生成装置。

【請求項3】

真空チャンバ内で電離生成した第１イオン及び第２イオンを混合状態のまま開口から放出させるイオン生成エネルギー設定部と、
前記開口と引き出し電極との間に形成される電位ポテンシャルを第１電界電圧及び第２電界電圧に切り替えて印加し、前記第１イオン及び前記第２イオンの各々に、予め定められた同一の核子当りエネルギーを付与する電界電圧調節部と、
分離電磁石のコイルに第１励磁電流及び第２励磁電流を切り替えて供給し、前記第１イオン及び前記第２イオンを異なるタイミングで出力させる励磁電流調節部と、を備え、
前記引き出し電極は、第１電極及び第２電極から成り、
前記電位ポテンシャルを、前記第１電極から第２電極に印加される前記第１電界電圧、及びこの第１電極から真空チャンバに印加される前記第２電界電圧に切り替えるスイッチを備えるイオン生成装置。

【請求項4】

請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のイオン生成装置において、
線形加速器に供給する高周波電力の強度を、前記タイミングに応じて切り替える電力設定部を備えるイオン生成装置。

【請求項5】

請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のイオン生成装置において、
前記第１励磁電流及び前記第２励磁電流の切り替えに際し、前記コイルに消磁電流を与え前記分離電磁石の鉄心の残留磁場を消去するゼロ磁場帰還回路を備えるイオン生成装置。

【請求項6】

請求項１又は請求項３に記載のイオン生成装置において、
異なるタイミングで入射した前記第１イオン及び前記第２イオンを加速させる線形加速器を備え、
前記同一の核子当りエネルギーは、前記線形加速器の仕様として規定されている入射エネルギーに対応するものであるイオン生成装置。

【請求項7】

請求項１又は請求項２に記載のイオン生成装置において、
前記引き出し電極は、第１電極及び第２電極から成り、
前記電位ポテンシャルを、前記第１電極から第２電極に印加される第１電界電圧、及びこの第１電極から真空チャンバに印加される前記第２電界電圧に切り替えるスイッチを備
えるイオン生成装置。

【請求項8】

真空チャンバ内で電離生成した第１イオン及び第２イオンを混合状態のまま開口から放出させるステップと、
前記開口と引き出し電極との間に形成される電位ポテンシャルを第１電界電圧及び第２電界電圧に切り替えて印加し、前記第１イオン及び前記第２イオンの各々に、予め定められた同一の核子当りエネルギーを付与するステップと、
分離電磁石のコイルに第１励磁電流及び第２励磁電流を切り替えて供給し、前記第１イオン及び前記第２イオンを異なるタイミングで出力させるステップ、を含み、
前記第１イオン及び前記第２イオンを生成するために供給するエネルギーの出力強度を、前記タイミングに応じて切り替えるイオン生成方法。

【請求項9】

真空チャンバ内で電離生成した第１イオン及び第２イオンを混合状態のまま開口から放出させるステップと、
前記開口と引き出し電極との間に形成される電位ポテンシャルを第１電界電圧及び第２電界電圧に切り替えて印加し、前記第１イオン及び前記第２イオンの各々に、予め定められた同一の核子当りエネルギーを付与するステップと、
分離電磁石のコイルに第１励磁電流及び第２励磁電流を切り替えて供給し、前記第１イオン及び前記第２イオンを異なるタイミングで出力させるステップと、
異なるタイミングで入射した前記第１イオン及び前記第２イオンを線形加速器で加速させるステップと、
前記線形加速器で加速された前記第１イオン及び前記第２イオンを、それぞれ別々の輸送路に分配するステップと、を含み、
前記同一の核子当りエネルギーは、前記線形加速器の仕様として規定されている入射エネルギーに対応するものであるイオン生成方法。

【請求項10】

コンピュータに、
真空チャンバ内で電離生成した第１イオン及び第２イオンを混合状態のまま開口から放出させるステップ、
前記開口と引き出し電極との間に形成される電位ポテンシャルを第１電界電圧及び第２電界電圧に切り替えて印加し、前記第１イオン及び前記第２イオンの各々に、予め定められた同一の核子当りエネルギーを付与するステップ、
分離電磁石のコイルに第１励磁電流及び第２励磁電流を切り替えて供給し、前記第１イオン及び前記第２イオンを異なるタイミングで出力させるステップ、を実行させ、
前記第１イオン及び前記第２イオンを生成するために供給するエネルギーの出力強度を、前記タイミングに応じて切り替えるイオン生成プログラム。

【請求項11】

コンピュータに、
真空チャンバ内で電離生成した第１イオン及び第２イオンを混合状態のまま開口から放出させるステップ、
前記開口と引き出し電極との間に形成される電位ポテンシャルを第１電界電圧及び第２電界電圧に切り替えて印加し、前記第１イオン及び前記第２イオンの各々に、予め定められた同一の核子当りエネルギーを付与するステップ、
分離電磁石のコイルに第１励磁電流及び第２励磁電流を切り替えて供給し、前記第１イオン及び前記第２イオンを異なるタイミングで出力させるステップ、
異なるタイミングで入射した前記第１イオン及び前記第２イオンを線形加速器で加速させるステップ、
前記線形加速器で加速された前記第１イオン及び前記第２イオンを、それぞれ別々の輸送路に分配するステップ、を実行させ、
前記同一の核子当りエネルギーは、前記線形加速器の仕様として規定されている入射エネルギーに対応するものであるイオン生成プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、加速器に供給するイオンを生成する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、イオンを加速器に供給し高速で照射して、工学や医学等の幅広い分野で、応用が進められている。現在、広く運用されている加速器システムは、大まかにイオン源（イオン生成装置）と線形加速器と円形加速器とで構成され、この順番でイオンを段階的に加速して、高エネルギーのイオンビームを照射する。

【0003】

線形加速器は、隣同士で逆向きの電位ポテンシャル成分を持つ複数の加速電場を直線状に並べ、電場方向を高周波周波数で繰り返し反転させ、加速電場を通過するイオンを常に進行方向のみに加速させるものである。このような原理に基づく線形加速器は、入力電力の相違により質量や荷電量が異なる異種イオンを、加速し出射することができる。

【0004】

ただし、条件として入射するイオンの核子当り運動エネルギーが、線形加速器の入射エネルギーの仕様（スペック）に一致している必要がある。この条件を満たせば、質量電荷比が異なる異種イオンを加速し、線形加速器の出射エネルギーの仕様に一致したエネルギーでイオンを出射することができる。

【0005】

このため、複数のイオン源及び複数の円形加速器に対し、一つの線形加速器で、システムを構築することができる。このシステムでは、各々のイオン源で生成した異種イオンを線形加速器にタイミングをずらして入射させる。そして、線形加速器から出射した異種イオンの各々は、別々の円形加速器に分配され、さらに加速される。これにより、高エネルギーで異種のイオンビームを別々に得ることができ、効率的に実験用及び治療用のイオンビームを供給することができる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【文献】Y. Kageyama, et al., “Present Status of HIMAC injectors at NIRS”, Proceedings of the 7th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (2010) 1135-1138.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかし、上述した公知のイオンビーム供給施設は、必要とするビーム種ごとに複数のイオン源を用意する必要があり各々イオン源から線形加速器までの複数のビーム輸送路、輸送路切り替え装置を含めるとシステム全体として大規模となる。また、複数のイオン源の各々で生成した異種イオンを、タイミングをずらして線形加速器に入射させることも、高度な制御技術が要求される。

【0008】

本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、１台のイオン源を用いて、核子当りエネルギーが一致する異種イオンを、異なるタイミングで出力させるイオン生成技術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】

実施形態に係るイオン生成装置において、真空チャンバ内で電離生成した第１イオン及び第２イオンを混合状態のまま開口から放出させるイオン生成エネルギー設定部と、前記開口と引き出し電極との間に形成される電位ポテンシャルを第１電界電圧及び第２電界電圧に切り替えて印加し前記第１イオン及び前記第２イオンの各々に予め定められた同一の核子当りエネルギーを付与する電界電圧調節部と、分離電磁石のコイルに第１励磁電流及び第２励磁電流を切り替えて供給し前記第１イオン及び前記第２イオンを異なるタイミングで出力させる励磁電流調節部と、を備え、前記イオン生成エネルギー設定部は、イオン生成エネルギー供給部の出力強度を、前記タイミングに応じて切り替えるか、もしくは、さらに異なるタイミングで入射した前記第１イオン及び前記第２イオンを加速させる線形加速器と、前記線形加速器で加速された前記第１イオン及び前記第２イオンを、それぞれ別々の輸送路に分配する分配器と、を備え、前記同一の核子当りエネルギーは、前記線形加速器の仕様として規定されている入射エネルギーに対応するものであるか、もしくは、前記引き出し電極は、第１電極及び第２電極から成り、前記電位ポテンシャルを、前記第１電極から第２電極に印加される前記第１電界電圧、及びこの第１電極から真空チャンバに印加される前記第２電界電圧に切り替えるスイッチを備える。

【発明の効果】

【0010】

本発明の実施形態により、１台のイオン源を用いて、核子当たりエネルギーが一致する異種イオンを、異なるタイミングで出力するイオン生成技術が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の第１実施形態に係るイオン生成装置を示す構成図。

【図2】各実施形態に係るイオン生成装置においてイオン分離の原理を説明する数式。

【図3】（Ａ）要求信号受信部の動作タイミングを示すグラフ、（Ｂ）電界電圧調節部の動作タイミングを示すグラフ、（Ｃ）励磁電流調節部の動作タイミングを示すグラフ、（Ｄ）イオン生成エネルギー供給部の動作タイミングを示すグラフ、（Ｅ）線形加速器へ入力される高周波電力のタイミングを示すグラフ。

【図4】（Ａ）実施例としてゼロ磁場帰還回路による鉄心の残留磁場の消去プロセスを示すグラフ、（Ｂ）比較例としてゼロ磁場帰還回路を設けない場合、分離電磁石を励磁したときに発生する鉄心の残留磁場を示すグラフ。

【図5】鉄心に発生した残留磁場の消磁させる消磁電流の制御を示すフローチャート。

【図6】本発明の第２実施形態に係るイオン生成装置を示す構成図。

【図7】実施形態に係るイオン生成装置を適用した加速器システムの構成図。

【発明を実施するための形態】

【0012】

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１実施形態に係るイオン生成装置１０Ａを示す構成図である。このようにイオン生成装置１０は、真空チャンバ２５内で電離生成した第１イオン２１及び第２イオン２２を混合状態のまま開口２６から放出させるイオン生成エネルギー設定部３２と、この開口２６と引き出し電極２８との間に形成される電位ポテンシャル２７を第１電界電圧Ｖ₁及び第２電界電圧Ｖ₂に切り替えて印加し第１イオン２１及び第２イオン２２の各々に予め定められた同一の核子当りエネルギーを付与する電界電圧調節部３３と、分離電磁石４１のコイル（図示略）に第１励磁電流Ｉ₁及び第２励磁電流Ｉ₂を切り替えて供給し第１イオン２１及び第２イオン２２を異なるタイミングで出力させる励磁電流調節部３５と、を備えている。

【0013】

真空チャンバ２５内でイオン生成エネルギー供給部２３により電離生成した第１イオン２１及び第２イオン２２を、可変電源４７により真空チャンバ２５と引き出し電極２８との間に作用する電位ポテンシャル２７より開口２６から混合状態で放出する。

【0014】

なおイオン生成エネルギー設定部３２は、イオン生成エネルギー供給部２３の出力強度を、第１イオン２１及び第２イオン２２が出力されるタイミングに応じて切り替えることができる。

【0015】

第１イオン２１及び第２イオン２２の生成量および割合は、イオン生成エネルギー供給部２３からの出力の大小により異なるため、選択するイオンが多量に生成される出力設定値へ切り替えることが有効である。イオン生成エネルギー設定部３２からイオン生成エネルギー供給部２３へタイミング毎に出力を変更できる。

【0016】

さらにイオン生成装置１０は、線形加速器４２に供給する高周波電力の強度を、第１イオン２１及び第２イオン２２が出力されるタイミングに応じて切り替える電力設定部３９を備えている。

【0017】

第１イオン２１及び第２イオン２２の各々質量荷電比Ａ／Ｚの相違により最適とされる線形加速器４２への高周波電力Ｐ_rf1、Ｐ_rf2が相違する場合がある。このような場合、電力設定部３９により、出力される第１イオン２１及び第２イオン２２に応じて高周波電力Ｐ_rf1、Ｐ_rf2がそれぞれ設定される。

【0018】

真空チャンバ２５には、外部から導入した原料３７をプラズマ化するイオン生成エネルギー供給部２３が設けられている。この真空チャンバ２５には、中性粒子、電子、プラスイオン（第１イオン２１及び第２イオン２２）が混合した状態で生成される。このように原料をプラズマ化する公知のイオン生成エネルギー供給部２３として、ＥＣＲ(Electron Cyclotron Resonance)イオン源、ＰＩＧ(Penning Ionization Gauge)イオン源といった高周波（マイクロ波を含む）照射型の他に、レーザ照射型のイオン源等が挙げられるが、これらに限定されない。

【0019】

なおこの真空チャンバ２５は可変電源４７によりプラス電位が印加され、外部および最も近接する引き出し電極２８との間に電位ポテンシャル２７を形成する。そして、真空チャンバ２５に導入される原料３７は、ガス、液体および固体のいずれも対象にすることができ、また単一元素から構成されるものに限らず、分子化合物及びそれら多種の混合物を適応することができる。

【0020】

そしてこの第１イオン２１及び第２イオン２２の集団は、可変電源４７により真空チャンバ２５と引き出し電極２８との間に作用する電位ポテンシャル２７によりプラズマからイオンが引き出し加速され引き出し電極２８方向に進み、分離電磁石４１へ導入される。

【0021】

図２は実施形態に係るイオン生成装置１０においてイオン分離の原理を説明する数式である。図２（１）式に示すように、電荷量ｑ_xのイオンは、電界電圧Ｖ_xで形成された電界２７に導入されるとエネルギーＷ_xが付与される。なおこのイオンに付与されたエネルギーＷ_xは、イオンの質量数Ａ_xと核子当りエネルギーｗとの積で表される。また、イオンの電荷量ｑ_xは、電気素量ｅとイオンの価数Ｚ_xとの積で表される。

【0022】

ここで図２（２）式に示すように、第１イオン２１の質量荷電比Ａ₁／Ｚ₁、第２イオン２２の質量荷電比Ａ₂／Ｚ₂、電気素量ｅで表すと、予め定められた核子当りエネルギーｗを付与するのに、第１イオン２１の場合は可変電源４７により電界電圧Ｖ₁を印加し、第２イオン２２の場合は可変電源４７により電界電圧Ｖ₂を印加して電位ポテンシャル２７を形成する必要がある。なお電位ポテンシャル２７で付与する核子当りエネルギーｗは、後段の線形加速器４２の仕様として規定されている入射エネルギーに対応して予め定められている。

【0023】

図１に戻って説明を続ける。可変電源４７で電界電圧Ｖ_xをＶ₁及びＶ₂に切り替えて印加することで、予め定められた核子当りエネルギーｗが付与された第１イオン２１及び第２イオン２２が、異なるタイミングで分離電磁石４１に導入される。なお電界電圧Ｖ_x（Ｖ₁，Ｖ₂）の切り替えに伴って、電界電圧Ｖ₁が印加されたタイミングの第２イオン２２及び電界電圧Ｖ₂が印加されたタイミングの第１イオン２１についても、予め定められた核子当りエネルギーｗとは異なるエネルギーが付与されて分離電磁石４１に導入される。

【0024】

分離電磁石４１は、励磁電流Ｉ_xをコイルに流して発生させた磁場Ｂ_xにより、ローレンツ力を付与し通過するイオンの軌道を曲げる作用を発揮する。この分離電磁石４１に第１励磁電流Ｉ₁を供給すると第１励磁磁場Ｂ₁が励磁され、第２励磁電流Ｉ₂を供給すると第２励磁磁場Ｂ₂が励磁される。

【0025】

図２（３）（４）式に示すように、エネルギーＷ_xが付与された質量Ｍ_xのイオンは、速度ｖ_xで分離電磁石４１に入射する。ここで、イオンの質量Ｍ_xは、核子質量ｍとイオンの質量数Ａ_xとの積で表される。

【0026】

そして図２（５）式に示すように、イオンは磁場Ｂ_xから受けたローレンツ力Ｆを向心力として、半径Ｒの円軌道を描く。そこで、図２（６）式に示すｘを１又は２として、予め定められた核子当りエネルギーｗが付与された、質量荷電比Ａ_x／Ｚ_xの第１イオン２１及び第２イオン２２は、分離電磁石４１を磁場Ｂ_xに調整することで、曲率半径Ｒの分離電磁石４１を、選択的に通過させることができる。

【0027】

図１に戻って説明を続ける。分離電磁石４１で磁場Ｂ_xをＢ₁及びＢ₂に切り替えて付与することで、予め定められた核子当りエネルギーｗが付与された第１イオン２１及び第２イオン２２が、異なるタイミングで線形加速器４２に導入される。そして、この予め定められた核子当りエネルギーｗとは異なるエネルギーが付与された第２イオン２２及び第１イオン２１は、分離電磁石４１の曲率半径Ｒとは異なる軌道を描くため線形加速器４２に到達できない。

【0028】

ここで、一例として、原料３７にメタンガス（ＣＨ₄）を採用した場合について検討する。真空チャンバ２５でメタンガス（ＣＨ₄）がプラズマ化して、炭素イオン¹²Ｃ⁴⁺と水素分子イオンＨ₂ ⁺とが生成された場合を考える。炭素イオン¹²Ｃ⁴⁺は、質量数Ａが１２で価数Ｚが４であるために質量荷電比Ａ／Ｚは３である。一方水素分子イオンＨ₂ ⁺は、質量数Ａが２で価数Ｚが１であるために質量荷電比Ａ／Ｚは２である。

【0029】

炭素イオン¹²Ｃ⁴⁺が電位ポテンシャル２７で核子当りエネルギーｗを得るのに必要な可変電源４７による電界電圧は、Ｖ_C4+＝３ｗ／ｅで表される（図２（２）式）。そして同様に、水素分子イオンＨ₂ ⁺が核子当りエネルギーｗを得るのに必要な電界電圧は、Ｖ_H2+＝２ｗ／ｅで表される。よって、可変電源４７により真空チャンバ２５には、この電界電圧Ｖ_C4+及び電界電圧Ｖ_H2+がタイミング毎に、電界電圧調節部３３からの要求信号により、選択的に印加される。

【0030】

また、核子当りエネルギーｗの炭素イオン¹²Ｃ⁴⁺が半径Ｒの分離電磁石４１を通過するのに必要な励磁磁場Ｂ_C4+＝３×√(２ｍｗ)／ｅＲと表される（図２（６）式）。一方、核子当りエネルギーｗの水素分子イオンＨ₂ ⁺が半径Ｒの分離電磁石４１を通過するのに必要な励磁磁場Ｂ_C4+＝２×√(２ｍｗ)／ｅＲと表される（図２（６）式）。

【0031】

線形加速器４２は、隣同士で逆向きの電位ポテンシャル成分を持つ複数の加速電場を直線状に並べ、電場方向を高周波周波数で繰り返し反転させ、加速電場を通過するイオンを常に進行方向のみに加速させるものである。そしてこの線形加速器４２は、入射エネルギーの仕様（スペック）に一致している核子当りエネルギーｗを持つ第１イオン２１及び第２イオン２２が入射され、各々質量荷電比Ａ／Ｚのイオンに対して必要とされる高周波電力Ｐ_rf1、Ｐ_rf2が投入されると加速される。

【0032】

第１イオン２１及び第２イオン２２の各々の質量荷電比Ａ／Ｚの相違により最適とされる高周波電力Ｐ_rf1、Ｐ_rf2は異なる場合がある。そのような場合、線形加速器４２の電力設定部３９から高周波電力供給部４３へ、タイミング毎に設定変更信号が送られる。高周波電力供給部４３は、タイミング毎に設定された高周波電力Ｐ_rf1、Ｐ_rf2を、線形加速器４２へ出力する。そして、線形加速器４２で加速された第１イオン２１及び第２イオン２２は、仕様（スペック）で定められたエネルギーまで高められた後に出射される。

【0033】

制御部３０は、要求信号受信部３１と、イオン生成エネルギー設定部３２と、電界電圧調節部３３と、励磁電流調節部３５と、ゼロ磁場帰還回路３６と、線形加速器電力設定部３９とを少なくとも含んで構成される。この制御部３０は、一般的なコンピュータのプロセッサで、各要素の機能を実現させることができ、コンピュータプログラムにより動作させることができる。

【0034】

図３（Ａ）は要求信号受信部３１の動作タイミングを示すグラフである。このように要求信号受信部３１は、イオン生成装置１０におけるイオン生成のトリガとなる要求信号３８を、外部のタイミングシステム（図示略）から入力する。

【0035】

図３（Ｂ）は電界電圧調節部３３の動作タイミングを示すグラフである。このように電界電圧調節部３３は、第１電界電圧Ｖ₁を初期設定値として、要求信号３８の受信を契機として、所定期間Ｔ１だけ真空チャンバ２５に印加する。そして、この所定期間Ｔ１を経過した後は、第１電界電圧Ｖ₁を第２電界電圧Ｖ₂に変更する。そして次の要求信号３８の受信を契機として、第２電界電圧Ｖ₂を所定期間Ｔ１だけ真空チャンバ２５に印加する。第１電界電圧Ｖ₁を第２電界電圧Ｖ₂への移行またその逆について傾斜的に変化するように図示されているが、変化方法には依らない。

【0036】

そして、この所定期間Ｔ１を経過した後は、第２電界電圧Ｖ₂を増加させ第１電界電圧Ｖ₁に変更する。このように第１電界電圧Ｖ₁及び第２電界電圧Ｖ₂を切り替えて真空チャンバ２５に印加し、電界２７を形成することにより、予め定められた同一の核子当りエネルギーｗを第１イオン２１及び第２イオン２２の各々に対し異なるタイミングで付与する。第１電界電圧Ｖ₁を第２電界電圧Ｖ₂への移行またその逆について傾斜的に変化するように図示されているが、変化方法には依らない。

【0037】

図３（Ｃ）は励磁電流調節部３５の動作タイミングを示すグラフである。このように励磁電流調節部３５は、要求信号３８の受信を契機として、予め設定された遅延時間Ｄ２の経過後に、第１励磁電流Ｉ₁を所定期間Ｐ２だけ分離電磁石４１に供給する。そして、所定期間Ｔ２の経過後は、第１励磁電流Ｉ₁を０にする。ここで遅延時間Ｄ２及び期間Ｔ２は、設定されている電流値が平坦状に安定するのに充分な時間が設定される。

【0038】

さらに励磁電流調節部３５は、次の要求信号３８の受信を契機として、遅延時間Ｄ２の経過後に、第２励磁電流Ｉ₂を所定期間Ｐ２だけ分離電磁石４１に供給する。そして、所定期間Ｐ２の経過後は、第２励磁電流Ｉ₂を０にする。このように励磁電流調節部３５は、断続的に受信される要求信号３８に基づいて分離電磁石４１のコイル（図示略）に第１励磁電流Ｉ₁及び第２励磁電流Ｉ₂を切り替えて供給する。

【0039】

図３（Ｄ）はイオン生成エネルギー供給部２３の動作タイミングおよび出力を示すグラフである。このようにイオン生成エネルギー供給部２３には、イオン生成エネルギー設定部３２から、イオンを生成させるタイミング信号が送信される。イオン生成エネルギー設定部３２は、予め設定された遅延時間Ｄ３の経過後に、設定された出力時間Ｔ３と出力強度でイオン生成エネルギー供給部２３が動作するよう制御する。

【0040】

イオン生成エネルギー供給部２３からは真空チャンバ２５の原料３７へエネルギーが与えられ、第１イオン２１及び第２イオン２２が混合状態のまま出力時間Ｔ３だけ生成される。そして、第１イオン２１を選択する場合はＰ_MW１を、第２イオン２２を選択する場合はＰ_MW２を、タイミング毎に変更することで各々のイオン生成量効率を向上させる。

【0041】

このようにして断続的に受信される要求信号３８に基づいて、第１電界電圧Ｖ₁及び第２電界電圧Ｖ₂並びに第１励磁電流Ｉ₁及び第２励磁電流Ｉ₂を切り替えることにより、予め定められた核子当りエネルギーｗを持つ第１イオン２１及び第２イオン２２が異なるタイミングで出力される。

【0042】

このように分離電磁石４１により出力された第１イオン２１または第２イオン２２は、線形加速器４２に予め定められた核子当りエネルギーｗを持って入射される。線形加速器４２へ入力される電力は、第１イオン２１及び第２イオン２２の各々質量荷電比Ａ／Ｚの相違により、最適とされる高周波電力Ｐ_rf1、Ｐ_rf2が異なる。そこで、線形加速器４２の電力設定部３９から高周波電力供給部４３へタイミング毎に設定信号が送られる。

【0043】

そして、高周波電力供給部４３からは、第１イオン２１及び第２イオン２２のタイミング毎に、設定された高周波電力Ｐ_rf1、Ｐ_rf2が、線形加速器へ入力される（図３（Ｅ））。これにより線形加速器４２で、質量荷電比Ａ／Ｚの異なる第１イオン２１及び第２イオン２２は、タイミング毎に加速され、仕様（スペック）で定められたエネルギーまで高められた後に出射される。

【0044】

図４（Ａ）は分離電磁石４１の運用実施例としてゼロ磁場帰還回路３６と励磁電源４４と磁場検出器４８とによる鉄心の残留磁場Ｂ_rの消去プロセスを示すグラフである。ゼロ磁場帰還回路３６は、励磁電流調節部３５における第１励磁電流Ｉ₁及び第２励磁電流Ｉ₂の切り替えに際し、磁場検出器４８から残留磁場Ｂ_rを検出し、その残留磁場Ｂ_rをゼロとなるように励磁電源４４を制御し、分離電磁石４１のコイルに消磁電流I_Dを与え分離電磁石４１の鉄心（図示略）の残留磁場Ｂ_rをゼロにする。

【0045】

図４（Ｂ）は比較例としてゼロ磁場帰還回路３６を設けない場合、分離電磁石４１を励磁したときに発生する鉄心の残留磁場Ｂ_rを示すグラフである。分離電磁石４１に第１励磁電流Ｉ₁で磁場Ｂ1を生成させた後、励磁電流を０アンペアに戻しても、磁気ヒステリシスによる残留磁場Ｂ_rが鉄心に残るため、磁場Ｂは０テスラに戻らない。この残留磁場Ｂ_rをそのままにして第２励磁電流Ｉ₂に切り替えて分離電磁石４１を励磁した場合、発生する第２磁場は誤差を含むことになる。

【0046】

このように、残留磁場Ｂ_rをそのままにしておくと、分離電磁石４１において大きな磁場を発生させた後に発生させた小さな磁場は、誤差が大きくなる傾向がある。このため、励磁電流の切り替えをする際は、確実に残留磁場Ｂ_rが消滅していることが望まれる。

【0047】

図５は鉄心に発生した残留磁場をゼロにするゼロ磁場帰還回路３６にて行われる消磁電流の制御を示すフローチャートである。励磁電流の供給が終了して電流値Ｉが０アンペアになったところで（Ｓ１１）、分離電磁石４１の鉄心の残留磁場Ｂ_rを磁場検出器４８にて測定する（Ｓ１２）。そして、残留磁場Ｂ_rの許容閾値Ｐを取得して残留磁場Ｂ_rの測定値との対比を行う（Ｓ１３，Ｓ１４）。この測定した残留磁場Ｂ_rの絶対値が許容閾値Ｐを超えていれば（Ｓ１４ Ｙｅｓ）、異常と判定される。磁場検出器４８はガウスメータなどである。

【0048】

そして、残留磁場Ｂ_rが正方向に許容閾値Ｐを超えていれば（Ｓ１５ Ｙｅｓ）、負方向に磁場を発生させる消磁電流Ｉ_Dを供給し（Ｓ１６）、再度、残留磁場Ｂ_rを測定し許容閾値Ｐとの対比を行う（Ｓ１４）。また、残留磁場Ｂ_rが負方向に許容閾値Ｐを超えていれば（Ｓ１５ Ｎｏ，Ｓ１７）、正方向に磁場を発生させる消磁電流Ｉ_Dを供給し（Ｓ１８）、再度、残留磁場Ｂ_rを測定し許容閾値Ｐとの対比を行う（Ｓ１４）。そして、測定した残留磁場Ｂ_rの絶対値が許容閾値Ｐの範囲内であれば（Ｓ１４ Ｎｏ）、正常と判定される。

【0049】

（第２実施形態）
次に図６を参照して本発明における第２実施形態について説明する。図６は本発明の第２実施形態に係るイオン生成装置１０Ｂを示す構成図である。なお、図６において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

【0050】

第２実施形態に係るイオン生成装置１０Ｂにおいて、引き出し電極２８は、第１電極２８ａと第２電極２８ｂとから構成されている。そして、第１電極２８ａと第２電極２８ｂは、第１固定電源４６ａを介して接続されている。そして、第２電極２８ｂと真空チャンバ２５は、第２固定電源４６ｂ及びスイッチ４５を介して接続されている。

【0051】

電位ポテンシャル２７は、第１電極２８ａから第２電極２８ｂに印加される第１電界電圧Ｖ₁と、第１電極２８ａから真空チャンバ２５に印加される第２電界電圧Ｖ₂とが、スイッチ４５により切り替え操作される。

【0052】

そして、電界電圧調節部３３は、第２電極２８ｂから真空チャンバ２５に接続する回路に設けられたスイッチ４５により、第２固定電源４６ｂを介する回路と介さない経路とに切り替えることができる。これにより電界電圧調節部３３は、スイッチ４５を切り替えることで電位ポテンシャル２７を第１電界電圧Ｖ₁及び第２電界電圧Ｖ₂のいずれか一方に切り替えることができる。

【0053】

図７は実施形態に係るイオン生成装置１０を適用した加速器システム４０の構成図である。なお、図７において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。この加速器システム４０は、線形加速器４２で加速された第１イオン２１及び第２イオン２２を、それぞれ別々の輸送路５３（５３ａ，５３ｂ）に分配する分配器５２を、備えている。そして、分配器５２の先には、入射装置５４（５４ａ，５４ｂ）さらにイオンを加速させる円形加速器５１（５１ａ，５１ｂ）が設けられ、出射装置５５（５５ａ，５５ｂ）を介して利用装置５６（５６ａ，５６ｂ）で利用される。

【0054】

線形加速器４２からは、第１イオン２１及び第２イオン２２が異なるタイミングで出力される。分配器５２は、第１イオン２１が通過するタイミングで第１輸送路５３ａに誘導し、第２イオン２２が通過するタイミングで第２輸送路５３ｂに誘導する。そして、第１イオン２１は第１円形加速器５１ａにおいてエネルギーが更に高められ、第２イオン２２は第２円形加速器５１ｂにおいてエネルギーが更に高められる。これにより、１台のイオン生成装置１０で、高エネルギーのイオンビームを別々に利用装置５６（５６ａ，５６ｂ）において複数照射することができる。

【0055】

以上述べた少なくともひとつの実施形態のイオン生成装置によれば、異種イオンを生成し、加速電場に付与する電界電圧を切り替え印加し、分離電磁石に供給する励磁電流を切り替え供給することで、１台のイオン源を用いて、核子当りエネルギーが一致する異種イオンを、異なるタイミングで出力することができる。

【0056】

本発明のいく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、組み合わせ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同様に、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ものである。

【符号の説明】

【0057】

１０（１０Ａ，１０Ｂ）…イオン生成装置、２１…第１イオン、２２…第２イオン、２３…イオン生成エネルギー供給部、２５…真空チャンバ、２６…開口、２７…電位ポテンシャル、２８…引き出し電極、２８ａ（２８）…第１電極、２８ｂ（２８）…第２電極、３０…制御部、３１…要求信号受信部、３２…イオン生成エネルギー設定部、３３…電界電圧調節部、３５…励磁電流調節部、３６…ゼロ磁場帰還回路、３７…原料、３８…要求信号、３９…電力設定部、４０…加速器システム、４１…分離電磁石、４２…線形加速器、４３…高周波電力供給部、４４…励磁電源、４５…スイッチ、４６ａ…第１固定電源、４６ｂ…第２固定電源、４７…可変電源、４８…磁場検出器、５１ａ（５１）…第１円形加速器（円形加速器）、５１ｂ（５１）…第２円形加速器（円形加速器）、５２…分配器、５３ａ（５３）…第１輸送路（輸送路）、５３ｂ（５３）…第２輸送路（輸送路）、５４（５４ａ，５４ｂ）…入射装置、５５（５５ａ，５５ｂ）…出射装置、５６（５６ａ，５６ｂ）…利用装置。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】