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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ionenquelle zum Ausgeben eines Ionenstrahls durch Erzeugen eines Plasmas mittels Laserbestrahlung eines Targets.
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Eine einen Laser verwendende Ionenquelle erzeugt ein Plasma, indem der konzentrierte Laserstrahl auf ein festes Target bzw. Zielobjekt eingestrahlt wird und dann das Targetelement durch die Laserenergie verdampft und ionisiert. Das erzeugte Plasma behält seinen Zustand bei und wird zu dem Eingang eines Beschleunigers transportiert, so dass aufgrund einer elektrischen Potentialdifferenz lediglich Ionen in den Beschleuniger eintreten und dann als der Ionenstrahl ausgegeben werden (siehe Patentdokument 1, 2). Es ist bekannt, dass die Ionenbeschleunigung durch den Beschleuniger besser ist, wenn die Valenz bzw. Wertigkeit des positiven Ions höher ist oder die Masse desselben geringer ist. Ferner ist die einen Laser verwendende Ionenquelle effektiv bei der Erzeugung von mehrwertigen positiven Ionen.
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- [Patentdokument 1] Japanisches Patent Nr. JP 3 713 524 B2
- [Patentdokument 2] JP2009-37764A
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Der von der einen Laser verwendenden Ionenquelle ausgegebene Ionenstrahl enthält jedoch einen hohen Anteil an Verunreinigungen, beispielsweise ein Cluster-Ion mit einer großen Masse und ein anderes positives Ion als das mehrwertige positive Ion mit niedriger Wertigkeit. Aus diesem Grund besteht das Problem, dass der Linearbeschleuniger (RFQ) von den Verunreinigungen verunreinigt wird, wenn der Ionenstrahl, der aus mehrwertigen Ionen mit niedriger Reinheit besteht, in den Linearbeschleuniger eintritt.
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Die
JP 2007-57432 A offenbart ein Verfahren zum Extrahieren von Ionen, die durch Anlegen eines entgegengesetzten elektrischen Feldes verzögert werden, so dass vorbestimmte Ionen von Hintergrundionen getrennt werden können.
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Die
JP 2000-146914 A offenbart eine FRIT-Laserionenquelle, bei der erzeugte Ionen durch eine Ringelektrode zu einer Gegenelektrode driften.
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Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht dieser Umstände gemacht und stellt eine Ionenquelle zur Verfügung, die einen Ionenstrahl mit einer hohen Reinheit von mehrwertigen positiven Ionen ausgeben kann.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Blockdiagramm, das eine erste Ausführungsform der Ionenquelle gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
- 2 ist ein Blockdiagramm, das eine zweite Ausführungsform der Ionenquelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
- 3A ist ein Graph, der die Verteilung des Ionenstroms, der von einer Ionenquelle ausgegeben wird, gegenüber jeder Wertigkeit der Ionen unter der Bedingung, dass die zweite Stromversorgungsquelle auf 0 eingestellt ist (E2 = 0V), zeigt.
- 3B ist ein Graph, der die Verteilung des Ionenstroms, der von einer Ionenquelle ausgegeben wird, gegenüber jeder Wertigkeit der Ionen unter der Bedingung, dass die zweite Stromversorgungsquelle in Betrieb ist, zeigt.
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[Beschreibung von Ausführungsformen]
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[Erste Ausführungsform]
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Im Folgenden werden die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Wie in 1 gezeigt, weist eine Ionenquelle 10 ein Target 12, aus dem durch ein Plasma, das durch Einstrahlung eines Lasers 13 ausgebildet wird, Elektronen und positive Ionen erzeugt werden, eine erste Stromversorgungsquelle (erste Spannung E1), die ein elektrisches Potential des Targets 12 höher einstellt als das eines Ziels der positiven Ionen (entsprechend einem Beschleunigungskanal 18 in 1), und eine zweite Stromversorgungsquelle (zweite Spannung E2) auf, die ein elektrisches Potential auf einem Weg (entsprechend einer Filterelektrode 15 in 1) von dem Target 12 zu dem Ziel 18 auf ein Potential einstellt, das höher ist als das des Targets 12.
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Eine Ionisierungskammer 11 nimmt das Target 12 in einem evakuierten Innenraum auf, wobei die Ionisierungskammer 11 ein elektrisches Potential aufweist, das auf dasselbe elektrische Potential wie das des Targets 12 eingestellt ist.
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Ein (nicht gezeigtes) Laserbestrahlungsbauteil ist außerhalb der Ionisierungskammer 11 angeordnet. Der Laser 13 geht durch ein transparentes Fenster, das auf der Oberfläche der Ionisierungskammer 11 vorgesehen ist, und tritt zum Bestrahlen einer Oberfläche des Targets 12 in den Innenraum ein. Ein (nicht gezeigter) Kondensor ist innerhalb oder außerhalb der Ionisierungskammer 11 eingebaut. Der Laser 13 wird vor oder nach einem Durchgang durch das transparente Fenster durch den Kondensor konzentriert.
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Das Element des Targets 12 wird durch die Energie des eingestrahlten Lasers 13 verdampft, ionisiert und erzeugt dann ein Plasma 14. Das Plasma 14 befindet sich in dem Zustand, in dem das verdampfte Element des Targets 12 zu einem positiven Ion und einem Elektron ionisiert worden ist, und ist insgesamt elektrisch neutral.
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Das Plasma 14 enthält Verunreinigungen, beispielweise Cluster-Ionen mit großer Masse und ein anderes positives Ion als das gewünschte mehrwertige positive Ion, das eine niedrige Wertigkeit aufweist.
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Das positive Ion in dem Plasma 14 tritt mit einer umso größeren Anfangsgeschwindigkeit aus der Oberfläche des Targets 12 aus, je höher die Wertigkeit des positiven Ions ist oder je kleiner die Masse desselben ist. Das Plasma 14 wird von dem Lasereinstrahlungspunkt aus emittiert und verbreitert sich in Richtung der Strahlrichtung X senkrecht zu dem Target.
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Die Filterelektrode 15 ist auf dem Weg der Strahlrichtung X von der stromabwärtigen Seite des Targets 12 zu der stromaufwärtigen Seite des Linearbeschleunigers 17 vorgesehen. Die Form der Filterelektrode 15 ist die eines Rohrs, einer flachen Platte, etc., jedoch nicht notwendigerweise darauf beschränkt, solange in der Mitte ein Durchgang für die positiven Ionen vorhanden ist.
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Das in der Ionenquelle 10 erzeugte Plasma 14 geht durch den Verbindungsweg 16 und tritt in den Linearbeschleuniger 17 ein. Der Verbindungsweg 16 ist elektrisch isoliert, da eine elektrische Potentialdifferenz zwischen der Ionisierungskammer 11 und dem Linearbeschleuniger 17 vorliegt. Bei Eintritt des Plasmas 14 in den Linearbeschleuniger 17 wird das Elektron abgetrennt, und das positive Ion wird in dem Beschleunigungskanal beschleunigt.
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Bei der in 1 gezeigten Stromversorgungsschaltung wird an das Target 12 die Target-Spannung (E0 + E1) angelegt, wobei die erste Spannung E1 zu der Vorspannung E0 addiert wird. An die Filterelektrode 15 wird die Filterspannung (E0 + E1 + E2) angelegt, wobei die zweite Spannung E2 zu der Target-Spannung (E0 + E1) addiert wird. Es reicht aus, wenn die Vorspannung E0 gleich 0V ist.
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Das Cluster-Ion mit großer Masse und die Ionen der positiven Ionen 14 mit niedriger Wertigkeit, die in dem von dem Target 12 emittierten Plasma enthalten sind, können die Filterelektrode 15 in der Strahlrichtung X aufgrund ihrer langsamen Anfangsgeschwindigkeit nicht überwinden. Somit kann durch Anordnen der Filterelektrode 15 auf einem Weg von dem Target 12 zu dem Strömungskanal 18 die Reinheit der gewünschten mehrwertigen positiven Ionen, die von der Ionenquelle 10 ausgegeben werden, verbessert werden.
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Der Anteil und die Menge der gewünschten mehrwertigen positiven Ionen, die von der Ionenquelle 10 ausgegeben werden, können durch Einstellung der zweiten Spannung E2 eingestellt werden.
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An den Beschleunigungskanal 18 wird die Beschleunigungsspannung E0 + E* angelegt, wobei der Vorspannung E0 eine hochfrequente Spannung E* überlagert wird.
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Da das elektrische Potential des Eingangs des Beschleunigungskanals 18 so eingestellt ist, dass es niedriger als das des Targets 12 und der Filterelektrode 15 ist, nimmt das mehrwertige positive Ion, das von der Ionenquelle 10 ausgegeben wird, im Vergleich zu der Anfangsgeschwindigkeit Geschwindigkeit auf und tritt in den Eingang des Beschleunigungskanals 18 ein.
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Dadurch wird das in den Beschleunigungskanal 18 eingetretene mehrwertige positive Ion weiter beschleunigt.
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[Zweite Ausführungsform]
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Wie in 2 gezeigt, weist die Ionenquelle 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform ferner einen Plasmatransferkanal bzw. ein Plasmatransferrohr 19 auf, dessen beide Enden gegenüber dem Target 12 bzw. dem Beschleunigungskanal 18 geöffnet sind, wobei das Plasmatransferrohr 19 ein elektrisches Potential aufweist, das auf dasselbe elektrische Potential wie das des Targets 12 eingestellt ist.
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Zusätzlich dazu wird die Beschreibung von Teilen, die den 1 und 2 gemeinsam sind, weggelassen.
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Durch Anordnen des Plasmatransferrohrs 19 kann das von dem Target 12 erzeugte Plasma ohne Verbreiterung zu dem Eingang des Beschleunigungskanals 18 geführt werden.
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Die Filterelektrode 15 ist auf dem Weg des Plasmatransferrohrs 19 angeordnet. Dadurch können das Cluster-Ion mit großer Masse und das Ion mit niedriger Wertigkeit das Plasmatransferrohr 19 nicht passieren, und die Ionenquelle 10 kann das mehrwertige positive Ion mit hoher Reinheit und mit hoher Effizienz ausgeben.
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Bezug nehmend auf 3 wird eine Wirkung der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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3A ist ein Graph, der die Verteilung des von einer Ionenquelle 10 ausgegebenen Ionenstroms gegenüber der Wertigkeit der Ionen zeigt, wenn die zweite Stromversorgungsquelle auf 0 eingestellt ist (E2 = 0V).
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3B ist ein Graph, der die Verteilung des Ionenstroms, der von einer Ionenquelle ausgegeben wird, gegenüber der Wertigkeit der Ionen zeigt, wenn die zweite Stromversorgungsquelle in Betrieb ist (E2 ≠ 0V).
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Die für das Experiment verwendete Ionenquelle 10 ist wie bei der zweiten Ausführungsform beschrieben aufgebaut, und das Target 10 besteht aus Graphit. Die Flugzeit (TOF) eines Kohlenstoff-Ions ist abhängig von der Wertigkeit (+1 bis +6) unterschiedlich. Basierend auf einer solchen Eigenschaft zeigt der Graph den Messwert des Ionenstroms für jede Wertigkeit der Ionen. Es sei bemerkt, dass die Flugzeit (englisch: time of flight, TOF) kürzer wird, wenn die Wertigkeit des Ions höher wird.
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Wie in 3A gezeigt, wird durch Einstellen der zweiten Spannung auf E2 = 0 der Ionenstromwert der niederwertigen Kohlenstoff-Ionen mit hoher Intensität beobachtet, wie in dem Bereich (a) gezeigt ist.
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Andererseits wird, wie in 3B gezeigt, durch Einstellen der zweiten Spannung E2 auf einen Wert ungleich 0 der Ionenstromwert der mehrwertigen Kohlenstoff-Ionen mit hoher Intensität beobachtet, wie in der Region (b) gezeigt ist.
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Wie vorher erwähnt, kann gemäß mindestens einer Ausführungsform der Ionenquelle 10 durch Einstellen eines elektrischen Potentials der Filterelektrode 15, die auf einem Weg von dem Target 12 zu dem Beschleunigungskanal 18 angeordnet ist, auf ein Potential, das höher ist als das des Targets 12, die Reinheit der gewünschten mehrwertigen positiven Ionen, die von der Ionenquelle 10 ausgegeben werden, verbessert werden, indem das Cluster-Ion mit großer Masse und die Ionen der positiven Ionen 14 mit niedriger Wertigkeit in der Ionisierungskammer 11 zurückgehalten werden.
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Auch wenn bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden sind, dienen diese Ausführungsformen lediglich als Beispiele und sollen den Schutzbereich der Erfindung nicht beschränken. Die neue Vorrichtung und das neue Verfahren, die hierin beschrieben sind, können auf verschiedene andere Weisen ausgeführt werden; ferner können verschiedene Weglassungen, Ersetzungen und Änderungen an den hierin beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren vorgenommen werden, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Die beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente sollen solche Formen oder Modifikationen abdecken, die in den Schutzbereich der Erfindung fallen.
