JP2009037764A - Ion beam drawing acceleration method and device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、イオン源プラズマからイオンビームを引き出して線形加速器に入射して加速するイオンビーム引出加速方法及び装置に関する。 The present invention relates to an ion beam extraction acceleration method and apparatus for extracting and accelerating an ion beam from an ion source plasma and entering a linear accelerator.
イオンビームを加速器で加速する際には、通常、イオン源のプラズマからイオンビームを引き出して線形加速器まで輸送した後に該線形加速器に入射して加速する方法が採られている。 When accelerating an ion beam with an accelerator, a method is generally employed in which the ion beam is extracted from the plasma of the ion source, transported to the linear accelerator, and then incident on the linear accelerator for acceleration.
しかしながら、このようなイオンビーム引出加速方法では、レーザーイオン源等をイオン源に用いた場合に得られる高強度イオンビームでは、空間電荷効果が低強度イオンビームの場合よりも大きいために、イオンビームが線形加速器内部のビーム加速電極に到達する前に拡散して損失してしまうという問題があった。 However, in such an ion beam extraction acceleration method, the high-intensity ion beam obtained when a laser ion source or the like is used as the ion source has a larger space charge effect than the low-intensity ion beam. Has a problem that it diffuses and loses before reaching the beam accelerating electrode inside the linear accelerator.
このような空間電荷効果による拡散(損失)を軽減するために、線形加速器の直前でイオンビームを引き出す方法が提案されている。 In order to reduce the diffusion (loss) due to the space charge effect, a method of extracting an ion beam immediately before the linear accelerator has been proposed.
しかしながら、線形加速器の直前でイオンビームを引き出す方法でも、線形加速器に入射されたイオンビームは、線形加速器内部においてビーム加速電極に到達するまでに空間電荷効果によって拡散し、ビーム加速電極による加速可能領域から外れる粒子が多くなり、結果的に多大なビーム損失を引き起こすことが問題となっている。 However, even in the method of extracting the ion beam immediately before the linear accelerator, the ion beam incident on the linear accelerator is diffused by the space charge effect before reaching the beam accelerating electrode inside the linear accelerator, and can be accelerated by the beam accelerating electrode. As a result, there is a problem that a large number of particles are removed from the surface, resulting in a large beam loss.
本発明の目的は、イオン源のプラズマから引き出したイオンビームがビーム加速電極による加速・集束空間領域に入射するまでの間に空間電荷効果によって拡散して損失する問題を改善することにある。 An object of the present invention is to improve the problem that an ion beam extracted from plasma of an ion source is diffused and lost by a space charge effect before entering an acceleration / focusing space region by a beam acceleration electrode.
本発明のイオンビーム引出加速方法は、イオン源の内部で発生させたプラズマからイオンビームを引き出して線形加速器に入射し、線形加速器内に入射されたイオンビームを該線形加速器のビーム加速電極が生成する加速電場によって加速するイオンビーム引出加速方法において、
接地電位の真空容器内に絶縁状態に設置した容器状の高電圧ターミナルから筒状電極を外側に伸ばし、その先端を前記ビーム加速電極の開口端の位置に一致、または開口内に進入するように設置することにより、前記高電圧ターミナル内に設置したプラズマ発生ターゲットにレーザー光を照射することによって発生したプラズマを前記ビーム加速電極の開口端または開口内までプラズマ状態を保ったまま導き、前記ビーム加速電極が生成するビーム加速・集束空間内に直接イオンビームを引き出すことを特徴とするものであり、
イオンビーム引出加速装置は、内部で発生させたプラズマからイオンビームを引き出すイオン源と、前記イオン源のプラズマから引き出されたイオンビームを加速・集束するための加速・集束電場を生成するビーム加速電極を有する線形加速器とを備えたイオンビーム引出加速装置において、
前記イオン源は、接地電位の真空容器内に絶縁状態に設置した容器状の高電圧ターミナル内にプラズマ発生ターゲットを設置し、前記プラズマ発生ターゲットから発生した前記高電圧ターミナル内のプラズマを前記線形加速器のビーム加速電極まで導く筒状電極を前記高電圧ターミナルに設けて、前記筒状電極の先端位置が前記線形加速器のイオンビーム加速・集束空間を形成するビーム加速電極の開口端の位置に一致または開口内に進入するように設置したことを特徴とするものである。
According to the ion beam extraction acceleration method of the present invention, an ion beam is extracted from a plasma generated inside an ion source and is incident on a linear accelerator, and an ion beam incident on the linear accelerator is generated by a beam acceleration electrode of the linear accelerator. In an ion beam extraction acceleration method accelerated by an accelerating electric field,
A cylindrical electrode is extended outward from a container-like high-voltage terminal placed in an insulated state in a grounded vacuum vessel so that its tip coincides with the opening end of the beam acceleration electrode or enters the opening. By installing, the plasma generation target installed in the high voltage terminal is guided to the plasma generated by irradiating the laser beam to the opening end or the opening of the beam acceleration electrode while maintaining the plasma state, the beam acceleration It is characterized by extracting the ion beam directly into the beam acceleration / focusing space generated by the electrode,
An ion beam extraction accelerator includes an ion source that extracts an ion beam from plasma generated inside, and a beam acceleration electrode that generates an acceleration / focusing electric field for accelerating / focusing the ion beam extracted from the plasma of the ion source. An ion beam extraction accelerator comprising a linear accelerator having
The ion source includes a plasma generation target installed in a container-like high voltage terminal installed in an insulated state in a vacuum container at a ground potential, and the linear accelerator accelerates the plasma in the high voltage terminal generated from the plasma generation target. A cylindrical electrode leading to the beam accelerating electrode is provided at the high voltage terminal, and the tip position of the cylindrical electrode coincides with the position of the opening end of the beam accelerating electrode forming the ion beam accelerating / focusing space of the linear accelerator, or It is characterized by being installed so as to enter into the opening.
本発明は、イオン源で生成したプラズマを筒状電極によって線形加速器内のビーム加速電極の入射側開口端までプラズマ状態を保ったまま輸送することから、従来のようにイオンビームを引き出してから加速電極に到達するまでの領域で該イオンビームが空間電荷効果により発散するという問題がなく、イオンビーム損失の問題を改善することができる。 In the present invention, the plasma generated by the ion source is transported while maintaining the plasma state to the incident side opening end of the beam acceleration electrode in the linear accelerator by the cylindrical electrode. There is no problem that the ion beam diverges due to the space charge effect in the region up to the electrode, and the problem of ion beam loss can be improved.
従って、従来よりも高い効率でイオンビームを線形加速器に入射することができ、従来よりも高強度のイオンビーム加速を実現することができる。 Therefore, the ion beam can be incident on the linear accelerator with higher efficiency than before, and ion beam acceleration with higher intensity than before can be realized.
また、イオン源は、接地電位の真空容器内に絶縁支持により設置した高電圧ターミナル内でプラズマを発生させ、このプラズマを筒状電極によって線形加速器内に導くように構成しているので、イオン源の周囲を電気的に保護する防護柵などが不要となることから、装置を小型に構成することができる。 In addition, the ion source is configured to generate plasma in a high voltage terminal installed in an insulating support in a vacuum container at ground potential, and to guide this plasma into a linear accelerator by a cylindrical electrode. Since a protective fence or the like that electrically protects the surroundings is not required, the apparatus can be made compact.
本発明のイオンビーム引出加速方法は、イオン源の内部で発生させたプラズマからイオンビームを引き出して線形加速器に入射し、線形加速器内に入射されたイオンビームを該線形加速器のビーム加速電極が生成する加速電場によって加速するイオンビーム引出加速方法において、
接地電位の真空容器内に絶縁状態に設置した容器状の高電圧ターミナルから筒状電極を外側に伸ばし、その先端を前記ビーム加速電極の開口端の位置に一致、または開口内に進入するように設置することにより、前記高電圧ターミナル内に設置したプラズマ発生ターゲットにレーザー光を照射することによって発生したプラズマを前記ビーム加速電極の開口端または開口内までプラズマ状態を保ったまま導き、前記ビーム加速電極が生成するビーム加速・集束空間内に直接イオンビームを引き出すように行い、
また、イオンビーム引出加速装置は、内部で発生させたプラズマからイオンビームを引き出すイオン源と、前記イオン源のプラズマから引き出されたイオンビームを加速・集束するための加速・集束電場を生成するビーム加速電極を有する線形加速器とを備えたイオンビーム引出加速装置において、
前記イオン源は、接地電位の真空容器内に絶縁状態に設置した容器状の高電圧ターミナル内にプラズマ発生ターゲットを設置し、前記プラズマ発生ターゲットから発生した前記高電圧ターミナル内のプラズマを前記線形加速器のビーム加速電極まで導く筒状電極を前記高電圧ターミナルに設けて、前記筒状電極の先端位置が前記線形加速器のイオンビーム加速・集束空間を形成するビーム加速電極の開口端の位置に一致または開口内に進入するように設置した構成とする。
According to the ion beam extraction acceleration method of the present invention, an ion beam is extracted from a plasma generated inside an ion source and is incident on a linear accelerator, and an ion beam incident on the linear accelerator is generated by a beam acceleration electrode of the linear accelerator. In an ion beam extraction acceleration method accelerated by an accelerating electric field,
A cylindrical electrode is extended outward from a container-like high-voltage terminal placed in an insulated state in a grounded vacuum vessel so that its tip coincides with the opening end of the beam acceleration electrode or enters the opening. By installing, the plasma generation target installed in the high voltage terminal is guided to the plasma generated by irradiating the laser beam to the opening end or the opening of the beam acceleration electrode while maintaining the plasma state, the beam acceleration The ion beam is extracted directly into the beam acceleration / focusing space generated by the electrode,
The ion beam extraction accelerator includes an ion source that extracts an ion beam from plasma generated inside, and a beam that generates an acceleration / focusing electric field for accelerating / focusing the ion beam extracted from the plasma of the ion source. In an ion beam extraction accelerator device including a linear accelerator having an acceleration electrode,
The ion source includes a plasma generation target installed in a container-like high voltage terminal installed in an insulated state in a vacuum container at a ground potential, and the linear accelerator accelerates the plasma in the high voltage terminal generated from the plasma generation target. A cylindrical electrode leading to the beam accelerating electrode is provided at the high voltage terminal, and the tip position of the cylindrical electrode coincides with the position of the opening end of the beam accelerating electrode forming the ion beam accelerating / focusing space of the linear accelerator, or It is set as the structure installed so that it may enter into opening.
本発明は、イオン源で発生したプラズマをプラズマ状態を保ったままビーム加速電極まで輸送する筒状電極を設置することにより、通常は加速器外で行うプラズマからのイオンビーム引き出しを線形加速器内のビーム加速電極先端及びその内部で行い、イオンビームを引き出した直後にビーム加速電極が生成する集束電場によって集束させて高効率のビーム入射を行うことにより、数十ミリアンペア以上の高強度のイオンビーム生成を実現するものである。 In the present invention, by installing a cylindrical electrode that transports plasma generated in an ion source to a beam acceleration electrode while maintaining the plasma state, ion beam extraction from plasma that is normally performed outside the accelerator is performed in a beam in a linear accelerator. A high-efficiency ion beam of several tens of milliamps or more is generated by focusing at a focused electric field generated by the beam accelerating electrode immediately after extracting the ion beam and performing high-efficiency beam injection immediately after the ion beam is extracted. It is realized.
この実施例1におけるイオンビーム引出加速装置は、図1に示すように、レーザー発生装置1、反射鏡2a,2b、レーザーイオン源3およびRFQ線形加速器(もしくはドリフトチューブ型線形加速器)4によって構成される。
As shown in FIG. 1, the ion beam extraction accelerator according to the first embodiment includes a
レーザーイオン源3は、その内部を真空状態とすることができるように構成した接地電位の真空容器3a内に、碍子によって前記真空容器3aに対して絶縁状態に容器状の高電圧ターミナル3bを設置し、この高電圧ターミナル3b内にレーザー集光反射鏡3cとプラズマ発生ターゲット3dを設置している。前記高電圧ターミナル3bは、外部の高電圧電源(図示省略)によって昇圧する。前記レーザー集光反射鏡3cは、中心にプラズマの通過を許容する穴を形成した反射鏡支持部材3eによって支持する。また、前記真空容器3aは該真空容器3a内にレーザー光5を入射可能にする気密状態のレーザー光入射窓3a1を備え、高電圧ターミナル3bは前記真空容器3aのレーザー光入射窓3a1から入射したレーザー光5を前記レーザー集光反射鏡3cまで到達させるための通過穴3b1を備える。
The
また、このレーザーイオン源3は、前記プラズマ発生ターゲット3dから発生して前記反射鏡支持部材3eの穴を通過してきたプラズマをプラズマ状態を保ったままの状態で前記線形加速器4のビーム加速電極4cの位置まで輸送するための円筒形の筒状電極3fを真空容器3aの外側まで突出するように備える。
Further, the
このレーザーイオン源3は、その真空容器3aにおける筒状電極3fの突出側をRFQ線形加速器4の容器4aにおけるビーム入射部に直に結合するようにして設置し、前記筒状電極3fの先端が前記RFQ線形加速器4の容器4a内に挿入されるように構成する。
This
前記RFQ線形加速器4は、その内部にイオンビーム加速・集束空間4bを形成するビーム加速電極4cを備える。イオンビーム加速・集束空間4bのイオンビーム入射側を形成するビーム加速電極4cの開口端部4c1は、図3に拡大して示すように、開口端に向って前記イオンビーム加速・集束空間4bの開口径を順次拡大するように形成しており、前記筒状電極3fの先端位置が前記イオンビーム加速・集束空間4bを形成する前記ビーム加速電極4cの開口端の位置に一致し、または開口内に進入するように構成する。
The RFQ
前記筒状電極3fは、その内径を大きくすることが望ましいが、この筒状電極3fの外径は、RFQ線形加速器4におけるビーム加速電極4cに接近することになるので該ビーム加速電極4cとの間に放電が起こらない程度の寸法に制限することが必要である。例えば、筒状電極3fの電圧を60kV、ビーム加速電極4c間の電圧を120kVとすると、筒状電極3fの先端位置をビーム加速電極4cの開口端位置に一致させる形態では、筒状電極3fの外径を8mmに制限して、内径を6mmとして実施することができる。
Although it is desirable that the
このように構成したイオンビーム引出加速装置は、レーザー発生装置1によって発生したレーザー光5を平面反射鏡2a,2bで反射させてレーザーイオン源3の内部に入射する。レーザーイオン源3に入射したレーザー光5は、レーザー集光反射鏡3cによってプラズマ発生ターゲット3d上に集光する。
The ion beam extraction accelerating device configured as described above causes the
プラズマ発生ターゲット3dは、集光されたレーザー光5により表面が加熱されてプラズマを発生する。プラズマ発生ターゲット3dから発生するプラズマは、発生場所から全体としてターゲット垂直方向に重心速度をもって膨張し、反射鏡支持部材3eに形成された穴を通過して筒状電極3fの先端まで到達する。プラズマ発生部から筒状電極3fの先端までは同電位であることからプラズマ状態が保たれており、空間電荷効果によるイオンの拡散は起こらない。筒状電極3fの先端には高電圧ターミナル3bに印加した電圧に基づいた電場が存在することからプラズマからビーム加速・集束空間4b内にイオンビームが引き出される。
The surface of the
筒状電極3fの先端はRFQ線形加速器4のビーム加速電極4cの端と同じ位置にあることから、図4に示すように、筒状電極3fの先端から引き出されてRFQ線形加速器4のイオンビーム加速・集束空間4b内に入射されるイオンビーム6は、直ちにビーム加速電極4cによるビーム集束・加速電場の力を受けて集束・加速されることになる。
Since the tip of the
したがって、レーザーイオン源3で発生させたプラズマがRFQ線形加速器4のビーム加速電極4cまでプラズマ状態のまま輸送されるため、空間電荷効果による拡散はなく、また、イオンビームは引き出された直後にイオンビーム加速・集束空間4bによって集束力をうけるため、従来に比べて高効率なビーム入射が実現する。
Therefore, since the plasma generated by the
因みに、図5に示すように、線形加速器4に対する筒状電極3fの進入の程度が容器4aの内側と一致する程度であると、図6に示すように、筒状電極3fの先端から容器4a内に入射するイオンビーム6は、ビーム加速電極4cによって形成されるイオンビーム加速・集束空間4bに到達するまでの間に空間電荷効果によって拡散して損失することから、ビーム加速電極4cによるイオンビーム加速・集束空間4bに入射して集束・加速される量が大幅に減少してしまうことになる。
Incidentally, as shown in FIG. 5, if the degree of penetration of the
前述したように、線形加速器4におけるビーム加速電極4c間の電圧を120kV、筒状電極3fの外径を8mm、内径を6mmとし、プラズマ発生ターゲット3dにアルミニウムを使用し、線形加速器4に対する前記筒状電極3fの進入の程度を容器4aの内側と一致(突出量が0mm)させた構成、容器4aの内側から5mm突出させた構成、容器4aの内側から10mm突出させてビーム加速電極4cの端と一致する位置まで進入させた構成の3種類の装置について、前記筒状電極3fに印加する電圧を変えて線形加速器4から出力する総ての価数を含む全ビームのピーク電流値を計測した実験では、図7に示すように、筒状電極3fに印加する引出電圧を増加させると線形加速器4から出力する全ビームの電流値が増加し、60kVにおいて各実験装置で最大値となった。ここで、各実験装置における全ビームの電流値は、筒状電極3fの進入量が多いほど大きく、容器4aの内側から10mm突出させてビーム加速電極4cの端と一致する位置まで進入させた構成の装置において最も大きく(従来の突出量0mmの構成に対して約20%増加)なっており、この本発明の有用性を示している。
As described above, the voltage between the
また、この実施例におけるレーザーイオン源3は、RFQ線形加速器4の容器4aに結合した接地電位の真空容器3a内に絶縁支持により設置した高電圧ターミナル3b内でプラズマを発生させ、このプラズマを高電圧ターミナル3bと同電位の筒状電極3fによってRFQ線形加速器4内のイオンビーム加速・集束空間4bまで導いてイオンビームを入射するように構成しているので、レーザーイオン源3の周囲を電気的に保護する防護柵などが不要となることから、装置を小型に構成することができる。
In addition, the
本発明のイオンビーム引出加速方法及び装置は、イオンビーム癌治療装置、イオン注入装置、材料表面改質装置、物理実験用加速器等に適用することができる。 The ion beam extraction acceleration method and apparatus of the present invention can be applied to an ion beam cancer treatment apparatus, an ion implantation apparatus, a material surface modification apparatus, a physical experiment accelerator, and the like.
1…レーザー発生装置、3…レーザーイオン源、3a…真空容器、3b…高電圧ターミナル、3c…レーザー集光反射鏡、3d…プラズマ発生ターゲット、3f…筒状電極、4…RFQ線形加速器、4a…容器、4b…イオンビーム加速・集束空間、4c…ビーム加速電極、4c1…開口端部、5…レーザー光、6…イオンビーム。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
接地電位の真空容器内に絶縁状態に設置した容器状の高電圧ターミナルから筒状電極を外側に伸ばし、その先端を前記ビーム加速電極の開口端の位置に一致、または開口内に進入するように設置することにより、前記高電圧ターミナル内に設置したプラズマ発生ターゲットにレーザー光を照射することによって発生したプラズマを前記ビーム加速電極の開口端または開口内までプラズマ状態を保ったまま導き、前記ビーム加速電極が生成するビーム加速・集束空間内に直接イオンビームを引き出すことを特徴とするイオンビーム引出加速方法。 Ion beam extraction acceleration in which an ion beam is extracted from a plasma generated inside an ion source and incident on a linear accelerator, and the ion beam incident in the linear accelerator is accelerated by an acceleration electric field generated by a beam acceleration electrode of the linear accelerator. In the method
A cylindrical electrode is extended outward from a container-like high-voltage terminal placed in an insulated state in a grounded vacuum vessel so that its tip coincides with the opening end of the beam acceleration electrode or enters the opening. By installing, the plasma generation target installed in the high voltage terminal is guided to the plasma generated by irradiating the laser beam to the opening end or the opening of the beam acceleration electrode while maintaining the plasma state, the beam acceleration An ion beam extraction acceleration method, wherein an ion beam is extracted directly into a beam acceleration / focusing space generated by an electrode.
前記イオン源は、接地電位の真空容器内に絶縁状態に設置した容器状の高電圧ターミナル内にプラズマ発生ターゲットを設置し、前記プラズマ発生ターゲットから発生した前記高電圧ターミナル内のプラズマを前記線形加速器のビーム加速電極まで導く筒状電極を前記高電圧ターミナルに設けて、前記筒状電極の先端位置が前記線形加速器のイオンビーム加速・集束空間を形成するビーム加速電極の開口端の位置に一致または開口内に進入するように設置したことを特徴とするイオンビーム引出加速装置。 An ion source for extracting an ion beam from plasma generated inside, and a linear accelerator having a beam acceleration electrode for generating an acceleration / focusing electric field for accelerating / focusing the ion beam extracted from the plasma of the ion source In the ion beam extraction accelerator,
The ion source includes a plasma generation target installed in a container-like high voltage terminal installed in an insulated state in a vacuum container at a ground potential, and the linear accelerator accelerates the plasma in the high voltage terminal generated from the plasma generation target. A cylindrical electrode leading to the beam accelerating electrode is provided at the high voltage terminal, and the tip position of the cylindrical electrode coincides with the position of the opening end of the beam accelerating electrode forming the ion beam accelerating / focusing space of the linear accelerator, or An ion beam extraction acceleration device characterized by being installed so as to enter into an opening.
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