JP2013051062A - イオン源 - Google Patents

Abstract

【課題】高純度の多価イオンを取り出すことができるイオン源を提供する。
【解決手段】イオン源１０は、レーザ１３が照射されると電子と陽イオンに電離したプラズマ１４を生成するターゲット１２と、このターゲット１２の電位を陽イオンの出射目標（加速チャンネル１８）よりも高く設定する第１電源（第１電圧Ｅ₁）と、この陽イオンがターゲット１２から出射目標（加速チャンネル１８）に至る経路上（フィルタ電極１５）の電位をターゲット１２の電位よりも高く設定する第２電源（第２電圧Ｅ₂）と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザをターゲットに照射して生成させたプラズマからイオンビームを取り出すためのイオン源に関する。

レーザを用いるイオン源は、レーザを集光して固体ターゲットに照射し、レーザのエネルギーによりターゲットの元素を蒸発させイオン化してプラズマを生成する。そして、生成したプラズマは、その状態のまま加速器の入口まで輸送された後、電位差によりイオンのみが加速器に引き込まれイオンビームとして出力される（たとえば特許文献１，２参照）。一方において、加速器におけるイオンの加速性は、イオンの質量が小さく価数が大きい程優れている。またレーザを用いるイオン源は、多価イオンの発生に有利であることが知られている。

特許第３７１３５２４号公報 特開２００９−３７７６４号公報

しかし、レーザを用いるイオン源から出力されるイオンビームは、多価イオン以外に、質量の大きいクラスターイオンや価数の小さいイオン等の不純物が高比率で含まれている。このため、低純度の多価イオンから成るイオンビームを線形加速器（ＲＦＱ）に入射すると、これら不純物により線形加速器が汚染される課題があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、高純度の多価イオンを取り出すことができるイオン源を提供することを目的とする。

イオン源において、レーザが照射されると電子と陽イオンに電離したプラズマを生成するターゲットと、前記ターゲットの電位を前記陽イオンの出射目標よりも高く設定する第１電源と、前記陽イオンが前記ターゲットから前記出射目標に至る経路上の電位を前記ターゲットの電位よりも高く設定する第２電源と、を備えることを特徴とする。

本発明により、高純度の多価イオンを取り出すことができるイオン源が提供される。

本発明に係るイオン源の第１実施形態を示すブロック図。 本発明に係るイオン源の第２実施形態を示すブロック図。 （Ａ）第２電源を機能させない設定とした場合に、イオン源から出射されるイオン電流の価数毎の分布を示すグラフ、（Ｂ）第２電源を機能させた設定とした場合に、イオン源から出射されるイオン電流の価数毎の分布を示すグラフ。

（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に示すようにイオン源１０は、レーザ１３が照射されると電子と陽イオンに電離したプラズマ１４を生成するターゲット１２と、このターゲット１２の電位を陽イオンの出射目標（図示では加速チャンネル１８）よりも高く設定する第１電源（第１電圧Ｅ₁）と、この陽イオンがターゲット１２から出射目標（加速チャンネル１８）に至る経路上（図示ではフィルタ電極１５）の電位をターゲット１２の電位よりも高く設定する第２電源（第２電圧Ｅ₂）と、を備えている。

イオン化室１１は、真空状態の内部にターゲット１２を収容し、電位がこのターゲット１２と同レベルに設定されている。
このイオン化室１１の外部には、レーザ出力部（図示略）が配置され、透明窓を通過してその内部に入射したレーザ１３は、透明窓へ入射する前のイオン化室１１外、もしくは後のイオン化室１１内に設置された集光レンズ（図示略）により集光された後にターゲット１２の表面を照射する。

照射したレーザ１３のエネルギーによりターゲット１２の元素が蒸発しイオン化してプラズマ１４を生成する。このプラズマ１４は、蒸発したターゲット１２の元素が陽イオンと電子に電離した状態となっており、全体として電気的に中性になっている。
このプラズマ１４には、目的とする多価の陽イオンの他に、質量の大きいクラスターイオンや価数の小さい陽イオン等の不純物が含まれる。

プラズマ１４中の陽イオンは、価数が大きいもの程又は質量の小さなもの程、大きな初速で、ターゲット１２の表面から飛び出す。また、このプラズマ１４は、レーザ１３がターゲット１２に入射した入射点から垂直方向に延びるビーム進行方向Ｘに向かって、拡散しながら放出される。

フィルタ電極１５は、このビーム進行方向Ｘの経路上に、ターゲット１２よりも下流側でかつ線形加速器１７よりも上流側に設けられている。このフィルタ電極１５の形状は、特に限定されるものではなく、筒状、平板形状などをとり、中心にイオンの通過口を有するものであれば良い。

イオン源１０で発生したプラズマ１４は、連通路１６を通過して線形加速器１７に導入される。イオン化室１１と線形加速器１７は電位が異なるため、連通路１６は電気的に絶縁されている。そして、線形加速器１７に導入されたプラズマ１４は、電子が分離して、陽イオンが、加速チャンネル１８に入射して加速される。

図１に示される電源回路において、ターゲット１２には、バイアス電圧Ｅ₀に第１電圧Ｅ₁が加算されたターゲット電圧（Ｅ₀＋Ｅ₁）が付与されている。またフィルタ電極１５には、ターゲット電圧（Ｅ₀＋Ｅ₁）よりも、第２電圧Ｅ₂だけ高いフィルタ電圧（Ｅ₀＋Ｅ₁＋Ｅ₂）が付与されている。なお、バイアス電圧Ｅ₀は０Ｖでも良い。

これにより、ターゲット１２から放出されたプラズマ１４に含まれる陽イオンのうち、質量の大きなクラスターイオン又は価数が小さいイオンは、初速が遅いために、ビーム進行方向Ｘにおいてフィルタ電極１５を越えることができない。このように、フィルタ電極１５が配置されることにより、イオン源１０から出射される多価の陽イオンの純度を向上させることができる。
また、第２電圧Ｅ₂を調節することにより、イオン源１０から出射される多価の陽イオンの比率や量を調整することができる。

また加速チャンネル１８には、バイアス電圧Ｅ₀に高周波電圧Ｅ^*を重畳した加速電圧（Ｅ₀＋Ｅ^*）が付与されている。
これにより、加速チャンネル１８の入口は、ターゲット１２及び加速チャンネル１８よりも電位が低く設定されるので、イオン源１０から出射される多価の陽イオンは、初速よりも速度を増して加速チャンネル１８の入口に入射する。
そして、加速チャンネル１８に入射した多価の陽イオンは、さらに加速されることになる。

（第２実施形態）
図２に示すように、第２実施形態に係るイオン源１０は、ターゲット１２と同電位に設定されるとともにこのターゲット１２及び出射目標（加速チャンネル１８）に対して両端が開口するプラズマ輸送管１９を備えている。
なお、図２において図１と同一又は相当する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

このようにプラズマ輸送管１９が配置されることにより、ターゲット１２で生成したプラズマを、拡散させることなく加速チャンネル１８の入口に導くことができる。
また、プラズマ輸送管１９の経路上には、フィルタ電極１５が配置されている。このために、質量の大きなクラスターイオン又は価数が小さいイオンは、プラズマ輸送管１９を通過することができないため、イオン源１０は、高純度の多価の陽イオンを高効率で出射させることができる。

図３を参照して本発明の効果を説明する。
図３（Ａ）は、第２電源を機能させない設定（Ｅ₂＝０）とした場合に、イオン源１０から出射されるイオン電流の価数毎の分布を示すグラフである。
図３（Ｂ）は、第２電源を機能させた設定（Ｅ₂≠０）とした場合に、イオン源１０から出射されるイオン電流の価数毎の分布を示すグラフである。

実験に用いたイオン源１０は、第２実施形態に示す構成を有するものであり、グラファイト製のターゲット１２を用いている。そして、炭素イオンの飛行時間（ＴＯＦ；Time of Flight）が、その価数（＋１〜＋６）に依存して異なる性質を利用し、価数毎のイオン電流の計測値が示されている。なお、イオンの価数が高くなる程、飛行時間が短くなる。

図３（Ａ）に示すように、第２電圧Ｅ₂＝０の設定においては、領域（ａ）に示すように、価数の小さな炭素イオンのイオン電流値が高強度で計測されている。
一方、図３（Ｂ）に示すように、第２電圧Ｅ₂≠０の設定においては、領域（ｂ）に示すように、価数の大きな（多価の）炭素イオンのイオン電流値が高強度で計測されている。

以上より、少なくともひとつの実施形態のイオン源１０によれば、陽イオンがターゲット１２から出射目標（加速チャンネル１８）に至る経路上に配置されるフィルタ電極１５の電位をターゲット１２の電位よりも高く設定することにより、プラズマ１４に含まれる陽イオンのうち、質量の大きなクラスターイオン又は価数が小さいイオンをイオン源１０のイオン化室１１内部に閉じ込めて、外部に出射されるイオンビームにおける多価の陽イオンの純度を向上させることが可能となる。

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。

１０…イオン源、１１…イオン化室、１２…ターゲット、１３…レーザ、１４…プラズマ、１５…フィルタ電極、１６…連通路、１７…線形加速器、１８…加速チャンネル、１９…プラズマ輸送管、Ｅ₀…バイアス電圧、Ｅ₁…第１電圧、Ｅ₂…第２電圧、Ｅ^*…高周波電圧、Ｘ…ビーム進行方向。

Claims (3)

1. レーザが照射されると電子と陽イオンに電離したプラズマを生成するターゲットと、
   前記ターゲットの電位を前記陽イオンの出射目標よりも高く設定する第１電源と、
   前記陽イオンが前記ターゲットから前記出射目標に至る経路上の電位を前記ターゲットの電位よりも高く設定する第２電源と、を備えることを特徴とするイオン源。
2. 前記ターゲットと同電位に設定されるとともに前記ターゲット及び前記出射目標に対して両端が開口するプラズマ輸送管を備えることを特徴とする請求項１に記載のイオン源。
3. 前記第２電源による印加電圧を調節可能としたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のイオン源。