特許 7329833 長寿命イオン源

(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】2023-08-10

(45)【発行日】2023-08-21

(54)【発明の名称】長寿命イオン源

(51)【国際特許分類】

   H01J 27/24 20060101AFI20230814BHJP

   H01J 37/08 20060101ALI20230814BHJP

   H05H 1/24 20060101ALI20230814BHJP

   H05H 7/08 20060101ALI20230814BHJP

【ＦＩ】

H01J27/24

H01J37/08

H05H1/24

H05H7/08

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2019200329

(22)【出願日】2019-11-01

(65)【公開番号】P2021072271

(43)【公開日】2021-05-06

【審査請求日】2022-09-16

(73)【特許権者】

【識別番号】504151365

【氏名又は名称】大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構

(74)【代理人】

【識別番号】100194869

【弁理士】

【氏名又は名称】榎本 慎一

(72)【発明者】

【氏名】宗本 尚也

(72)【発明者】

【氏名】高山 健

(72)【発明者】

【氏名】安達 利一

(72)【発明者】

【氏名】堀岡 一彦

(72)【発明者】

【氏名】高野 進

【審査官】中尾 太郎

(56)【参考文献】

【文献】実開昭５９－１５１４３７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開平１０－０２６６９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－０１９２９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１０８６４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１３９０８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００５／０１８００４３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０２３５９１８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０３１７８３７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】N. Munemoto, et al.，Direct injection of fully stripped carbon ions into a fast-cycling induction synchrotron and their capture by the barrier bucket，Physical Review Accelerators and Beams，2017年08月09日，Vol. 20, 080101，pp. 1-8

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｊ ２７／２４

Ｈ０１Ｊ ３７／０８

Ｈ０５Ｈ １／２４

Ｈ０５Ｈ ７／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザー照射される標的を収納し、前記レーザー照射で生成したアブレーションプラズマを所定の位置に輸送する引き出し機構に連通するチャンバーと、
前記標的を水平方句に移動させる水平移動機構と、
前記標的を垂直方向に移動させる縦送機構と、
からなり、
前記標的の反レーザー照射側にイオン強度の安定化を図る自由回転の押さえを配置したことを特徴とする長寿命イオン源。

【請求項2】

前記標的のレーザー照射側に、
レーザー通過用のスリットが穿設され、前記スリットが下流へ伝搬するアブレーションプラズマ群の形状を制御し、デブリの拡散を抑制するデブリシールドテープ及び前記デブリシールドテープを巻き取る巻取装置を備えるデブリ除去機構を配置したことを特徴とする請求項１に記載の長寿命イオン源。

【請求項3】

前記標的が炭素薄膜であることを特徴とする請求項１に記載の長寿命イオン源。

【請求項4】

前記水平移動機構が、
前記チャンバーに位置するレールと、
前記レールをスライドするスライダーと、
前記スライダーを移動させる駆動軸と、
前記駆動軸を動作させる第一モーターとからなり、
前記スライダーの移動に伴って、前記標的が水平方向に移動可能となることを特徴とする
請求項１に記載の長寿命イオン源。

【請求項5】

前記縦送機構が、
前記水平移動機構に取り付けた内枠と、
前記内枠に回動可能に固定された未使用の前記標的が巻かれる第一ドラムと、
使用された前記標的を巻き取る第二ドラムと、
からなることを特徴とする請求項１に記載の長寿命イオン源。

【請求項6】

前記縦送機構が、ユニット化され、一体で交換可能としたことを特徴とする請求項５に記載の長寿命イオン源。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ビーム加速器のレーザーアブレーションイオン源に関し、より詳しくは医療用（例えば、完全電離炭素線セラピー）に好適な長時間使用可能、長時間メンテナンスフリーな長寿命イオン源に関するものである。

【背景技術】

【0002】

炭素線セラピー用のイオン源として１０ＧＨｚ近傍のマイクロ波を用いた電子サイクロトロン共鳴イオン源（特許文献１）が使用されて来た。中性ガスとしてプロパンガスを用いれば、この周波数帯では電子エネルギーが十分ではなく４価程度のイオン源が生成されるが、完全電離の炭素線イオンは得られない。

【0003】

従来の電子サイクロトロン共鳴イオン源でも、超電導ミラー磁場を使った、大掛かりで高額の装置を用いた完全電離の炭素イオンを作る手法は提案されていたが、実現の報告はない。

【0004】

４価の炭素線をＲＦＱとＤＴＬ等の入射器で６－８ＭｅＶ程度まで加速後、炭素薄膜で残る２個の電子を剥ぎ取り、炭素線セラピーのドライバー加速器である高周波シンクロトロンに入射する方法が取られていた。入射器を用いない炭素線セラピードライバーではこの手法は使用できない。

【0005】

１０ｃｍｘ１０ｃｍのグラファイト板や炭素薄膜を標的に用いたレーザーアブレーションイオン源にて完全電離炭素線の生成は実証されているが（非特許文献１）、実際の炭素線セラピーとして使用に耐えるような長寿命はなかった。

【0006】

重粒子線セラピーの炭素標的は最短でも１ヶ月を超える長寿命とメンテナンスフリーでの動作が求められる。他方、イオン源からの完全電離炭素線イオンを直接入射し、加速出来る誘導加速シンクロトロンの技術が確立している（特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開２０１７－８４８１８（マイクロ波イオン源及びその起動方法）

【文献】特開２００６－３１００１３号公報（全種イオン加速器及びその制御方法）

【非特許文献】

【0008】

【文献】N.Munemoto,S.Takano,T.Adachi,K.Takayama et al., “Direct injection of fully stripped carbon ions into a fast-cycling induction synchrotron and their capture by the barrier bucket”, Phys. Rev. Accel. and Beams 20, 080101 (2017).

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

そこで、本発明は、ビーム加速器のレーザーアブレーションイオン源に関し、より詳しくは医療用（例えば、完全電離炭素線セラピー）に好適な長時間使用可能、長時間メンテナンスフリーな長寿命イオン源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】

【0010】

（１）
レーザー照射される標的を収納し、前記レーザー照射で生成したアブレーションプラズマを所定の位置に輸送する引き出し機構に連通するチャンバーと、
前記標的を水平方句に移動させる水平移動機構と、
前記標的を垂直方向に移動させる縦送機構と、
からなり、
前記標的の反レーザー照射側にイオン強度の安定化を図る自由回転の押さえを配置したことを特徴とする長寿命イオン源。
（２）
前記標的のレーザー照射側に、
レーザー通過用のスリットが穿設され、前記スリットが下流へ伝搬するアブレーションプラズマ群の形状を制御し、デブリの拡散を抑制するデブリシールドテープ及び前記デブリシールドテープを巻き取る巻取装置を備えるデブリ除去機構を配置したことを特徴とする（１）に記載の長寿命イオン源。
（３）
前記標的が炭素薄膜であることを特徴とする（１）に記載の長寿命イオン源。
（４）
前記水平移動機構が、
前記チャンバーに位置するレールと、
前記レールをスライドするスライダーと、
前記スライダーを移動させる駆動軸と、
前記駆動軸を動作させる第一モーターとからなり、
前記スライダーの移動に伴って、前記標的が水平方向に移動可能となることを特徴とする
（１）に記載の長寿命イオン源。
（５）
前記縦送機構が、
前記水平移動機構に取り付けた内枠と、
前記内枠に回動可能に固定された未使用の前記薄膜が巻かれる第一ドラムと、
使用された前記薄膜を巻き取る第二ドラムと、
からなることを特徴とする（１）に記載の長寿命イオン源。
（６）
前記縦送機構が、ユニット化され、一体で交換可能としたことを特徴とする（５）に記載の長寿命イオン源。
とした。

【発明の効果】

【0011】

本発明の長寿命イオン源は、上記構成であるので、完全電離炭素イオンを入射器不要の次世代炭素線セラピー、速い繰り返しのシンクロトロンに必要な完全電離炭素イオンを供給するレーザーアブレーションイオン源として採用できる。より詳細には、１０Ｈｚ運転で連続２，０００時間の動作に耐える、長時間使用可能、長時間メンテナンスフリーを実現する。本発明の長寿命イオン源では炭素薄膜とプラスティック製のデブリシールドテープが消耗品であり、上記条件では、約２ヶ月毎の交換でよい。

【0012】

他の民生用長尺炭素薄膜を製造するメーカーの既存製造装置によって本発明の炭素薄膜の生産も可能である。炭素線セラピー施設にストックも可能であり、コスト的にも高額のものではない。

【0013】

一方、既存炭素線セラピーにおいても、最上流から完全電離炭素イオンを利用すれば、電子剥離フォイルを通過する際に発生する炭素イオンビームエミッタンスの劣化を避けることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、本発明の長寿命イオン源の縦断面正面模式図である。

【図2】図２は、本発明の長寿命イオン源の縦断面側面模式図である

【図3】図３は、デブリシールドテープの機能の説明図である。

【図4】図４は、本発明における炭素薄膜のレーザースポットの軌跡である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、添付の図面を参照し、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、本発明は下記形態例に限定されるものではない。

【実施例1】

【0016】

図１～３に示すように、本発明である長寿命イオン源１は、チャンバー２と、標的を水平方向に移動させる水平移動機構３と、標的を垂直方向に移動させる縦送機構４と、自由回転の押さえ６と、デブリ除去機構７からなる。

【0017】

ここでは、標的は、炭素線セラピー用の炭素薄膜５とした。目的、用途に応じて、各種既存の加速に利用できる元素種の標的を用いることができる。

【0018】

チャンバー２は、加速に求められる真空で、レーザー９が照射される標的、ここで炭素薄膜５を収納し、レーザー９の照射で生成したアブレーションプラズマ１１を加速器等の所定の位置に輸送する、既存の引き出し機構１０に連通する。

【0019】

水平移動機構３は、チャンバー２に位置（固定してもよい）するレール３ｃと、レール３ｃをスライドするスライダー３ｄと、スライダー３ｄを移動させる駆動軸３ｂと、駆動軸３ｂを動作させる第一モーター３ａとからなる。これにより、スライダー３ｄの移動に伴って、標的、ここでは縦送機構４の全体が水平方向（両方向）に移動可能となる。その結果、炭素薄膜５もスライドし、位置制御可能になる。

【0020】

第一モーター３ａとしては、ステッピングモーターが例示できる。第一モーター３ａは、加速器の運転繰り替えしに同期して、縦送機構４を水平方向にスライドさせ、レーザー９が照射される炭素薄膜５の位置をズラし、レーザースポット９ａの位置を制御する。駆動軸３ｂとしては、ピストン軸、ネジ軸、ボールネジなどが例示できる。

【0021】

縦送機構４は、水平移動機構３に、着脱可能に取り付けた内枠４ａと、内枠４ａに回動可能に固定された未使用の炭素薄膜５が巻かれる第一ドラム４ｂと、レーザー９が照査され、使用された炭素薄膜５を巻き取る第二ドラム４ｃとからなる。第二ドラム４ｃは、内枠４ａに固定した第二モーター４ｄで回転させる。

【0022】

第二モーター４ｄは、ステッピングモーターなどを利用し、第一モーター３ａと同期し、移動タイミングを一定に保つとよい。また、巻取りドラム（第二ドラム４ｃ）に回転駆動を伝達し、回転させ、他方の送り出しドラム（第一ドラム４ｂ）は、炭素薄膜５がゆるみ、破断しないよう、適度のテンションを保つよう、回転制御（回転抵抗）機構を備えるとよい。

【0023】

薄膜の標的、ここでは炭素薄膜５の反レーザー９の照射側に自由回転の押さえを配置している。自由回転の押さえ６は、標的と同一物質、またはタングステンに代表される電離しにくい素材のものを利用する。自由回転の押さえ６によりアブレーションプラズマの安定性を確保する。炭素薄膜の際には、自由回転の押さえ６は、炭素棒とするとよい。ここでは、内枠４ａに回転可能状態で取り付ける。その結果、縦送機構４が、ユニット化され、一体で交換可能となる。

【0024】

レーザー９の収束照射に伴い、炭素薄膜５の表面には深さ５０μｍ、直径４００μｍの円錐形の照射痕が残り、この部分の物質（炭素原子）の一部はアブレーションプラズマとなるが、他の大部分の物質量はデブリジェットとなって前方方向に飛び出す。運動量保存則より、炭素薄膜５は反作用を１０Ｈｚの周期的撃力として受け、固有振動を起こす。炭素棒の自由回転の押さえ６は、炭素薄膜５のレーザースポット９ａの位置での振動に伴うイオンビーム強度の変動を抑える目的で、炭素薄膜５の反レーザー照射側の背部に配置される。摩擦が生じるようになったとき自由回転の押さえ６を回転させ、標的の破れを防止するとよい。

【0025】

デブリ除去機構７は、標的のレーザー９の照射側に位置し、レーザー９の通過用のスリット８ａが穿設され、レーザー９の照射後はスリット８ａがアブレーションプラズマ群の形状を自動的に制御し、大量に発生するデブリの拡散（図３破線）を抑制するデブリシールドテープ８と、デブリシールドテープ８巻き取る巻取装置を備え、チャンバー２に着脱可能に設置される。消耗品として、デブリ除去機構７はユニット化され、一体的に交換するとよい。

【0026】

巻取装置は、フレッシュなデブリシールドテープ８を巻き付け、送り出す第三ドラム７ａと、使用済みデブリシールドテープ８を巻き取る第四ドラム７ｂと、第四ドラム７ｂを回転させる第三モーター７ｃとからなる。第三モーター７ｃは、加速器の運転繰り替えしに同期しても、タイマー、手動で動作させ、定期的に更新する。

【0027】

デブリは真空状態にあるチャンバー２の内部の真空悪化の原因になると共に、チャンバー２内に配置したレーザー９の収束用レンズ（図視省略）の表面汚染の原因になる。収束用レンズの表面汚染防止はビーム強度維持のために重要である。これを避けるために、レーザースポット９ａ位置のみを残し、アブレーションプラズマ発生直後に炭素デブリを吸着するプラスティック製のデブリシールドテープ８で炭素薄膜５の他表面全体を被う。

【0028】

図４に示すように、炭素薄膜（例えば、厚さ２０－５０μｍ、２０ｃｍ幅、７５-１５０ｍ長）の全表面積を、イオン生成の繰り返し周波数に従って、炭素薄膜５表面上に収束レンズで収束したレーザーを照射する。

【0029】

レーザースポット９ａの位置は固定であるので、炭素薄膜５を水平・垂直方向に移動させる。フィルムカメラ同様に第一ドラム４ｂに巻かれた炭素薄膜５を他端の第二ドラム４ｃに不連続に巻き取り回収する。炭素薄膜５を含む縦送機構４をユニットとして、水平移動機構３のスライダー３ｄにマウントし、例えば、水平方向に１ｃｍ／ｓｅｃで連続的に移動させる。この間、第一、第二ドラム４ｂ、４ｃの巻き取りは停止している。正負１０ｃｍの水平方向移動を終了すると、１ステップ（１ｍｍ）だけ縦方向に第二ドラム４ｃによる炭素薄膜５の巻き取りがなされ、縦送機構４の水平方向の移動方向は逆転する。

【符号の説明】

【0030】

１ 長寿命イオン源
２ チャンバー
３ 水平移動機構
３ａ 第一モーター
３ｂ 駆動軸
３ｃ レール
３ｄ スライダー
４ 縦送機構
４ａ 内枠
４ｂ 第一ドラム
４ｃ 第二ドラム
４ｄ 第二モーター
５ 炭素薄膜
６ 自由回転の押さえ
７ デブリ除去機構
７ａ 第三ドラム
７ｂ 第四ドラム
７ｃ 第三モーター
８ デブリシールドテープ
８ａ スリット
９ レーザー
９ａ レーザースポット
１０ 引き出し機構
１１ アブレーションプラズマ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】