JP2004093151A - 多孔スリットと可動式発光体を用いた荷電粒子ビームの質の測定法 - Google Patents

Abstract

【課題】イオン源から発生するビームのエミッタンス（荷電粒子の質を表す指標）の測定は、ビームの形状や輸送効率を上げるのに必要とされるが、従来の測定方法では、（１）スリットの細かな移動が必要とされ、測定に時間がかかり、（２）発生ビームは絶えず微妙に変化しているために正確なエミッタンスは得にくく、（３）システムが複雑で手軽に測定することは難しい等の問題点があった。
【解決手段】荷電粒子に対してビームを遮るように多孔スリットを配置し、その後方に荷電粒子で発光する発光体を置き、発光体を粒子の進行方向に水平に移動させ、二つ以上の位置において多孔スリットを通ったビームによる発光像をＣＣＤカメラにより映像化と数値化を行い、得られた複数の数値化した画像を計算機等を使用して比較解析し、発光像の位置とこの位置に対する荷電粒子の発散角を求めることにより、荷電粒子ビームの質を表す指標（エミッタンス）を得る。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電加速器のイオン源から発生する荷電粒子ビームの質を多孔スリット、可動式発光体及びＣＣＤカメラを用いることにより測定する方法に関するものである。
【０００２】
静電加速器において質の良い荷電粒子ビームを発生させるためには、加速器の電圧安定性に加えてイオン源の性能が重要な要素となる。イオン源から発生するビームの質を議論する際、エミッタンス（荷電粒子ビームの質を表す指標）はビームの形状や輸送効率を上げるための重要なパラメータの一つであり、正確な値を求めることが必要とされる。
【０００３】
【従来の技術】
従来、一般的なエミッタンスの測定は、スリットを用いてピンホール状の孔を作り、この孔をビームに対して縦横断するようにわずかずつ機械的に移動させ、スリットの後方に配置した検出器により、この孔の位置におけるビームの発散角度を測定することにより行われていた。
【０００４】
即ち、従来型では、図１に示されるように、ピンホールスリットをｘ軸及びｙ軸方向に僅かづつ移動させ、スリットの各位置における、スリットを透過してきたビームのｘ及びｙ方向のカレント分布を細い金属線でスキャンすることで測定している。この場合、スリット位置でのビーム断面を全てカバーするようにスリットを僅かづつ移動させ、その都度、金属線でｘ、ｙ方向のスキャンをして図３に示されるカレント（金属線に流れる電流量）分布を測定するためには非常に時間がかかる。
【０００５】
従来型におけるビームの発散角を導くには、図２に示すように、スリットを通ったビームが距離Ｌ離れたスクリーンに像として映し出されるとした場合、次式により、そのスリットの位置におけるビームのある１部分の発散角の最大角
ｙ１’及び最小角ｙ２’が求まる。そのカレント分布図のエッジの位置が、図３に示されるように、スクリーンに映し出される像で言うところのｈ１とｈ２の位置を示している。又、図３の横軸はスクリーン上の電流量を表している。
【０００６】
最大角　ｙ１’＝（ｈ１−ｙ１）／Ｌ　　　　　　（１）
最小角　ｙ２’＝（ｈ２−ｙ２）／Ｌ　　　　　　（２）
図２は、ビーム断面の垂直成分に関する発散角を測定する場合であり、ｙ１及びｙ２は、スリットの円形孔の水平接線の接点に相当する位置を表し、ｙ１’及びｙ２’はそれぞれｙ１及びｙ２の位置における発散角を表している。
【０００７】
又、図４は、縦軸に発散角ｙ’（この場合、垂直成分の発散角なのでｙ’とし、水平成分のエミッタンス図では、ｘ’となる）、横軸にビーム断面の垂直方向の位置ｙ（垂直成分の測定であるのでｙとし、水平成分ではｘとなる）を示したビーム垂直成分のみを評価したエミッタンス図であり、ビーム断面の各位置における発散角をプロットしていくと通常は楕円状に分布する。即ち、ビーム断面に直交座標を書き、ビームの中心を０とした場合、図４のエミッタンス図はその座標の横軸（ビーム断面の垂直方向の位置）の正成分のみが表されるので、この図はビーム断面の上半分についての垂直成分に関するエミッタンスの測定結果である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のかかる方法では、（１）スリットの細かな移動が必要とされ、測定に時間がかかり、（２）発生ビームは絶えず微妙に変化しているために正確なエミッタンスは得にくく、そして（３）システムが複雑でコストの面から見ても手軽に測定することは難しい等の問題点があった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の方法は、これらの欠点を除いて、システムの簡素化により、低コストで、短時間に正確なエミッタンスを導くことが可能なものである。即ち、本発明の測定方法は、多孔スリットと発光体を利用するため、データの収集時間が非常に短く、また複雑な計測機器を使用せず発光像の撮影にＣＣＤカメラを用いることで全のデータが得られるので、コストを充分抑えることができ、前述の従来方法の欠点を除いたものである。したがって、本発明により、静電加速器に搭載されるイオン源のエミッタンスを簡単に短時間で、なおかつ低コストの装置で測定できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
イオン源から発生するビームのエミッタンスの測定は、前述のとおり、ビームの形状やビームの輸送効率を検討するのに必要であるが、従来の測定方法では、前記の問題点があった。即ち、図１に示されるように、従来の方法では、ピンホール状の孔あるスリットを使用し、このスリットをビームに対して縦断するようにわずかず水平且つ垂直方向に移動させ、スリットの後方に配置した検出器によりこの孔の位置におけるビームの発散角度を測定することにより行われていた。
【００１１】
これに対し、本発明においては、多孔スリットを使用し、これを荷電粒子に対してビームを遮るように配置し、その後方に荷電粒子で発光する発光体を置き、発光体を粒子の進行方向に水平に移動させ、二つ以上の水平位置において多孔スリットを通ったビームによる発光像をＣＣＤカメラで映像化と同時に数値化を行い、得られた複数の数値化した画像を計算機等を使用して比較解析し、発光像の位置とこの位置に対する荷電粒子の発散角を求めることにより、荷電粒子ビームの質を表す指標（エミッタンス）が得られる。
【００１２】
即ち、従来型はカレント分布を金属線で測定しているのに対し、本発明は、図５に示されるように、発光体上の発光像をＣＣＤカメラでモノクロ像として捕らえ、グレースケール（黒を０、完全な白を２５５としてグレーレベルを数値化したもの）でカレントの分布の様子を解析する。そのため、スリットを細かく移動させることなく、多数の線形の孔の開いたスリットを固定しておけばビーム断面の各部分の１方向（ｘ方向又はｙ方向）の情報を発光像として一度に収集でき、格段の時間短縮になる。又、多連続線形スリットをｘ方向とｙ方向を別々に測定するのではなく、多数のピンホールに開いたスリットを使えば、ｘ、ｙの両方向のビームの情報を１回の撮影で得ることができる。
【００１３】
本発明の特徴は多孔スリットを使用している点、発光体を利用し、なおかつ可動式にしている点、そしてＣＣＤカメラで撮影した発光像から発散角を導いているところにある。また、発光体はビームの軸に対して発光面を垂直に保ちながら、ビーム軸に沿って水平に移動するので、発光体は上下左右には振れることはない。
【００１４】
又、本発明での発散角の導き方は、図５のように多連線形型のスリットを固定しておき、発光体をビーム軸に沿って垂直にスライドさせ、▲１▼と▲２▼の位置での２つの画像からそれぞれカレント分布を解析し、次式により発散角の最大角及び最小角を導き出す。
【００１５】
最大角　ｙ１’＝（ｈ１’−ｈ１）／Ｌ　　　　　（３）
最小角　ｙ２’＝（ｈ２’−ｈ２）／Ｌ　　　　　（４）
多連線形スリットの場合だと、発散角をｘ方向とｙ方向の２回に分けて、▲１▼と▲２▼の位置での合計４回の撮影が必要だが、線形でなく円形（ピンホール）の孔を多数開けたスリットを使うとｘ方向とｙ方向の発散角を▲１▼と▲２▼の位置での合計２回の撮影で得ることができる。
【００１６】
即ち、エミッタンス図によれば、ビーム断面の各位置における発散角が示される。これにより、あまり発散若しくは収束せずにビームの輝度が中心に集中したビームが質のよいビームである。ビームの発散角を知ることで、このビームがどのように発散しているのか、又は収束傾向にあるかなどを、エミッタンス図を見ることで判断でき、そのビームの質を評価することができる。
【００１７】
エミッタンス図は、横軸にビーム断面の位置、縦軸にその位置での発散角をプロットしたものである。２次元座標でエミッタンスを表現するには、垂直成分と水平成分の２つのエミッタンス図が必要になる。式（３）と（４）は図５にある垂直成分の位置ｈ１とｈ２における発散角を導く式である。通常のビームは、ビームの中心軸から離れるほど発散角が増して行き、放射状に拡がってしまう。
【００１８】
図５の場合は、ｙ１’の方がｙ２’よりも発散しており、ビーム断面のある位置、多連スリットのａという孔を通過した部分の最大角はｙ１’であり、最小角はＹ２’となる。より多くの位置で発散角を求めることが詳しいエミッタンス（ビームの質）を知ることになる。
【００１９】
従来型は１つの孔の開いたスリットを細かく移動させ、金属線などによりビームカレントを測定して発散角を導くのに対し、本発明では多くの孔の開いたスリットを固定して、発光体による発光像から発散角を導いている。
【００２０】
【実施例】
以下に、本発明の測定方法を用いたエミッタンス測定の実施例を図６に基づいて説明する。本発明においては、多連スリット通過後のビームを発光体である発光シートに入射し、図７に示されるような縞状に発光した像をＣＣＤカメラでモノクロ画像としてパーソナルコンピュータ上に取り込む。この画像を数値解析することでエミッタンスを評価する。
【００２１】
発光シートとカメラは一体となりビーム軸に対して水平かつ垂直に移動する。２つの位置での像を取り込み、グレースケールで発光照度をデータ化し、２つのデータを比較解析して、各スリットにおけるビームの発散角を求め、これからエミッタンスを導くものである。
【００２２】
【発明の効果】
本発明の方法により、従来の一般的な装置のようにスリットを移動させながらの測定を必要とせず、ｘ軸およびｙ軸の各一組の多孔スリット像でエミッタンスを評価できるので、短時間にデータ（画像）を収集でき、ビーム電流の時間的変動を考慮する必要がない。また、システムも簡素化されており、複雑な計測機器を必要としないためコストを抑えることができた。よって、イオン源の開発や荷電粒子ビームの質の向上に充分貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の可動式スリットを用いたエミッタンスの測定方法を示す図である。
【図２】従来の発散角を求める方法を示す図である。
【図３】従来の方法によって得られたカレント分布を示す図である。
【図４】従来の方法によって得られたエミッタンスを示す図である。
【図５】本発明の多連線形スリットを用いてエミッタンスの測定方法を示す図である。
【図６】本発明の可動式発光体を用いたエミッタンスの測定方法を行う装置を示す図である。
【図７】多連線形スリットによる発光した像を示す図である。

Claims (1)

1. 荷電粒子に対してこのビームを遮るように多孔スリットを置くと共に、その後方に荷電粒子で発光する物質である発光体を置き、発光体を粒子の進行方向に対して水平に移動させ、二つ以上の位置において多孔スリットを通ったビームによる発光像をＣＣＤカメラの使用により映像化と数値化を行い、得られた複数の数値化した画像を計算機等の使用により比較解析して、発光像の位置と、この位置に対する荷電粒子の発散角を求めることにより、荷電粒子ビームの質を表す指標（エミッタンス）を導くことを特徴とする、多孔スリットと可動式発光体を用いた荷電粒子ビームの質の測定法。

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