JP2015176814A - Ion beam purity monitoring device, method and program - Google Patents

Ion beam purity monitoring device, method and program Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ion beam purity monitoring technique which makes possible to properly execute the purity monitoring in real time while continuing an output operation.SOLUTION: An ion beam purity monitoring device 30 comprises: an acquisition part 31 operable to take detection data 26 concerning ions emitted in a direction having an angle to a main axis X of an ion beam emitted from a target 12 irradiated with laser; a time counter 32 operable to repeat the counting of time according to the same cycle as that of laser oscillation; an allocation part 33 operable to allocate a signal value of the detection data 26 to a time of counting time; a setting part 35 operable to set a timing corresponding to each charge-to-mass ratio of impurity ions different from an intended ion forming the ion beam; a determination part 36 operable to make determination on whether or not the signal value of the detection data 26 in line with each timing of the impurity ions is above a threshold; and an output part 37 operable to output an abnormality signal on condition that the signal value is determined to be above the threshold.

Description

本発明は、イオン源から取り出されるイオンビームの純度監視技術に関する。   The present invention relates to a technique for monitoring the purity of an ion beam taken out from an ion source.

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(例えば、特許文献1,2参照)。
An ion source using a laser condenses the laser to irradiate a solid target, and vaporizes and ionizes the target element by the energy of the laser to generate plasma.
Then, after the generated plasma is transported to the accelerator entrance as it is, only ions are drawn into the accelerator due to a potential difference and output as an ion beam (for example, see Patent Documents 1 and 2).

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。そして、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。
また、レーザで生成したプラズマ中に、目的とするイオン以外の不純物イオンが混入していると、ビーム品質の低下が懸念される。
そこで、イオン源から取り出されるイオンビームの純度を計測し、純度低下が観測された場合に、加速器の運転を停止するインターロックが、検討されている(例えば、特許文献3)。
On the other hand, the acceleration of ions in the accelerator is more excellent as the ion mass is smaller and the valence is larger. And it is known that the ion source using a laser is advantageous for generation of multivalent ions.
Further, if impurity ions other than the target ions are mixed in the plasma generated by the laser, there is a concern that the beam quality may be deteriorated.
Therefore, an interlock that stops the operation of the accelerator when the purity of the ion beam extracted from the ion source is measured and a decrease in purity is observed has been studied (for example, Patent Document 3).

特許3713524号公報Japanese Patent No. 3713524 特開2009−37764号公報JP 2009-37764 A 特開2012−051577号公報JP 2012-051577 A

イオンビームの純度を低下させる汚染源としては、ターゲットに含まれる不純物元素、ターゲットに付着している水分、レーザの照射雰囲気の残留ガス成分、等が挙げられる。
これら不純物元素のイオン、水分由来の水素イオンや酸素イオン、残留ガス成分のイオンは、イオンビームに不純物イオンとして混入して、そのまま下流に輸送されてしまう。
このため、イオンビームの出力運転中において、その純度をリアルタイムで監視し、純度低下が観測された場合は、ただちに運転を停止することが望まれる。
Examples of the contamination source that decreases the purity of the ion beam include impurity elements contained in the target, moisture adhering to the target, residual gas components in the laser irradiation atmosphere, and the like.
These impurity element ions, water-derived hydrogen ions and oxygen ions, and residual gas component ions are mixed into the ion beam as impurity ions and transported downstream as they are.
For this reason, it is desirable to monitor the purity in real time during the output operation of the ion beam and to stop the operation immediately when a decrease in purity is observed.

しかし、不純物イオンは、上述のように多種類であるうえ、ターゲット元素イオン(目的イオン)に対する混入比率が元々少ないため、検出感度の低下が避けられない。
このため、不純物イオンの誤計測により、上述のインターロック機能が、イオンビームの出力運転の安定性を、低下させる恐れがあった。
However, since there are many kinds of impurity ions as described above and the mixing ratio with respect to the target element ions (target ions) is originally small, a decrease in detection sensitivity is inevitable.
For this reason, there is a possibility that the above-described interlock function may reduce the stability of the ion beam output operation due to erroneous measurement of impurity ions.

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、出力運転を継続しながらリアルタイムで正確に実施できるイオンビームの純度監視技術を提供することを目的とする。   The present invention has been made in consideration of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an ion beam purity monitoring technique that can be accurately performed in real time while continuing output operation.

イオンビームの純度監視装置において、レーザが照射されたターゲットから放出されるイオンビームの主軸に対し角度をなす方向に放出されたイオンの検出データを取得する取得部と、前記レーザの発振周期と同じ周期でタイムカウントを繰り返すタイムカウンタと、前記検出データの信号値を前記タイムカウントのタイミングに割り付ける割付部と、前記イオンビームを構成する目的イオンとは異なる不純物イオンの質量電荷比に対応するタイミングを設定する設定部と、前記不純物イオンのタイミングに一致する前記検出データの信号値が閾値を超えるか否かを判定する判定部と、前記閾値超えの判定がなされた場合に異常信号を出力する出力部と、を備えることを特徴とする。   In the ion beam purity monitoring device, an acquisition unit that acquires detection data of ions emitted in a direction that makes an angle with respect to a main axis of an ion beam emitted from a target irradiated with a laser, and the same oscillation cycle as the laser A time counter that repeats time counting in a cycle, an assigning unit that assigns the signal value of the detection data to the timing of the time count, and a timing corresponding to a mass-to-charge ratio of impurity ions different from target ions constituting the ion beam A setting unit for setting, a determination unit for determining whether or not a signal value of the detection data matching the timing of the impurity ions exceeds a threshold value, and an output for outputting an abnormal signal when the threshold value is determined to be exceeded And a section.

本発明により、出力運転を継続しながらリアルタイムで正確に実施できるイオンビームの純度監視技術が提供される。   According to the present invention, there is provided an ion beam purity monitoring technique that can be accurately executed in real time while continuing output operation.

本発明に係るイオンビームの純度監視装置の実施形態を示すブロック図。The block diagram which shows embodiment of the purity monitoring apparatus of the ion beam which concerns on this invention. レーザ発振とイオン検出期間とを示すタイミングチャート。The timing chart which shows a laser oscillation and an ion detection period. イオンビームに含まれる元素イオンの検出結果を示すグラフ。The graph which shows the detection result of the element ion contained in an ion beam. 実施形態に係るイオンビームの純度監視装置を適用したイオン加速器を示すブロック図。The block diagram which shows the ion accelerator to which the purity monitoring apparatus of the ion beam which concerns on embodiment is applied. 実施形態に係るイオンビームの純度監視装置の動作を説明するフローチャート。The flowchart explaining operation | movement of the purity monitoring apparatus of the ion beam which concerns on embodiment.

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、真空容器11の内部にターゲット12が収容され、この真空容器11の電位はこのターゲット12と同レベルに設定されている。
このイオン源10の外部には、レーザ発振部13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は、ターゲット12の表面を照射する。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
As shown in FIG. 1, in the ion source 10, a target 12 is accommodated in a vacuum vessel 11, and the potential of the vacuum vessel 11 is set at the same level as the target 12.
A laser oscillating unit 13 is disposed outside the ion source 10, and the laser that has entered the interior through the transparent window irradiates the surface of the target 12.

照射したレーザ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。
ターゲット12として、炭素系の板状部材を用いた場合、このプラズマ14には、目的とする多価の炭素イオンの他に、不純物元素のイオン、水分由来の水素イオンや酸素イオン、真空容器11内の残留ガス成分のイオンが不純物イオンとして混入することがある。
The element of the target 12 is evaporated and ionized by the energy of the irradiated laser to generate the plasma 14.
The plasma 14 is in a state where the evaporated element of the target 12 is ionized into cations and electrons, and is electrically neutral as a whole.
When a carbon-based plate-like member is used as the target 12, the plasma 14 includes not only the desired polyvalent carbon ions but also impurity element ions, water-derived hydrogen ions and oxygen ions, and the vacuum vessel 11. In some cases, ions of residual gas components are mixed as impurity ions.

このプラズマ14は、レーザがターゲット12に入射した入射点から垂直方向に延びるイオンビームの主軸Xに沿って、真空容器11の内部を放射状に拡散する。
イオンビームの主軸Xが交わる真空容器11の壁には、プラズマ14の通過孔15が設けられている。
The plasma 14 radially diffuses inside the vacuum vessel 11 along the main axis X of the ion beam extending in the vertical direction from the incident point where the laser is incident on the target 12.
A passage hole 15 for plasma 14 is provided on the wall of the vacuum vessel 11 where the main axis X of the ion beam intersects.

そして、この通過孔15を開口端とするプラズマ輸送管19が、イオンビームの主軸Xが同心軸となるように、さらに真空容器11と同電位になるように設けられている。
このプラズマ輸送管19により、プラズマ14は、拡散することなく線形加速器17の内部に導かれる。
なお、真空容器11の通過孔15には、広がった不要なプラズマ14を、プラズマ輸送管19に輸送しないよう排除するコリメータ18が設けられている。
A plasma transport tube 19 having the passage hole 15 as an open end is provided so that the main axis X of the ion beam is a concentric axis and further has the same potential as the vacuum vessel 11.
The plasma 14 is guided to the inside of the linear accelerator 17 by the plasma transport tube 19 without being diffused.
The passage hole 15 of the vacuum vessel 11 is provided with a collimator 18 that excludes the spread unnecessary plasma 14 from being transported to the plasma transport tube 19.

真空容器11と線形加速器17とは、絶縁体である連通路16により連結され、この連通路16の中心軸にプラズマ輸送管19が一致するように配置されている。
このようにして、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。
The vacuum vessel 11 and the linear accelerator 17 are connected by a communication path 16 that is an insulator, and the plasma transport tube 19 is arranged so as to coincide with the central axis of the communication path 16.
In this way, the plasma 14 generated in the ion source 10 passes through the communication path 16 and is introduced into the linear accelerator 17.

イオン源10と線形加速器17は電位が異なるため、線形加速器17に導入されたプラズマ14から電子が分離した陽イオンは、加速チャンネル(図示略)に導入され加速されて、イオンビームとなる。
このようにイオン源10を出発して高エネルギー化されたイオンビームは、例えば、がん治療に利用される重粒子線照射装置に利用される。
Since the ion source 10 and the linear accelerator 17 have different potentials, the positive ions from which electrons are separated from the plasma 14 introduced into the linear accelerator 17 are introduced into an acceleration channel (not shown) and accelerated to form an ion beam.
The ion beam that has been increased in energy from the ion source 10 in this way is used, for example, in a heavy particle beam irradiation apparatus used for cancer treatment.

真空容器11には、イオンビームの主軸Xに対しターゲット12から角度をなす方向に放出されるイオンを通過させる分岐孔21が設けられている。
この分岐孔21は、真空容器11の内部に拡散したプラズマ14からイオンをその外部に導く。そして、分岐孔21から真空容器11の外部に導かれたイオンは、イオン種の定性・定量分析を実施する分析部20に案内される。
The vacuum vessel 11 is provided with a branch hole 21 through which ions emitted in a direction that forms an angle with the main axis X of the ion beam from the target 12 pass.
The branch holes 21 guide ions from the plasma 14 diffused inside the vacuum vessel 11 to the outside. The ions introduced from the branch hole 21 to the outside of the vacuum vessel 11 are guided to the analysis unit 20 that performs qualitative / quantitative analysis of the ion species.

分岐孔21から引き出されるイオンのイオン種の組成は、通過孔15から引き出されるイオンビームのイオン種の組成と同様であるため、分析部20によりイオンビームに含まれるイオン種をリアルタイムで監視することが可能となる。   Since the composition of the ion species of the ions extracted from the branch hole 21 is the same as the composition of the ion species of the ion beam extracted from the passage hole 15, the analysis unit 20 monitors the ion species included in the ion beam in real time. Is possible.

分析部20は、分岐孔21から引き出されるイオンの飛行軌道25に電場をかけてこの飛行軌道25を偏向させる静電デフレクタ23と、この飛行軌道25に沿って飛行したイオンを検出し検出データ26を出力する検出部24と、から構成されている。   The analysis unit 20 detects an ion deflected by applying an electric field to the flight trajectory 25 of ions extracted from the branch hole 21 and deflecting the flight trajectory 25, and detected data 26. And a detection unit 24 that outputs

ここで、静電デフレクタ23の偏向半径r、電場Eとし、イオンの飛行速度v、価数q、質量m、電気素量eとすると、次式(1)の関係から式(2)が導かれる。
1/2・mv2 = 1/2・qerE (1)
2 ∝ q/m (2)
Here, assuming that the deflection radius r of the electrostatic deflector 23 and the electric field E are the flight speed v, valence q, mass m, and elementary quantity e of the ion, the equation (2) is derived from the relationship of the following equation (1). It is burned.
1/2 · mv 2 = 1/2 · qerE (1)
v 2 q q / m (2)

式(2)に示すようにイオンの飛行速度vは、このイオンの質量電荷比q/mの平方根に比例する。これにより、飛行するイオンは、質量電荷比q/mに対し、飛行時間が一意的に定まる。そして、質量電荷比q/mの異なるイオンは、異なる飛行時間を経て検出部24に入射し、タイムライン上で分離して検出されることとなる。   As shown in Equation (2), the flight speed v of ions is proportional to the square root of the mass-to-charge ratio q / m of the ions. Thereby, the flight time of the flying ions is uniquely determined with respect to the mass-to-charge ratio q / m. Then, ions having different mass-to-charge ratios q / m enter the detection unit 24 after different flight times and are detected separately on the timeline.

イオンビームの純度監視装置30は、レーザが照射されたターゲット12から放出されるイオンビームの主軸Xに対し角度をなす方向に放出されたイオンの検出データ26を取得する検出データ取得部31と、レーザの発振周期T(図2)と同じ周期Tでタイムカウントを繰り返すタイムカウンタ32と、検出データ26の信号値をタイムカウントのタイミングに割り付ける検出データ割付部33と、イオンビームを構成する目的イオンとは異なる不純物イオンの質量電荷比に対応するタイミングを設定するタイミング設定部35と、不純物イオンのタイミングに一致する検出データ26の信号値が閾値を超えるか否かを判定する判定部36と、閾値超えの判定がなされた場合に異常信号を出力する異常信号出力部37と、を備えている。   The ion beam purity monitoring device 30 includes a detection data acquisition unit 31 that acquires detection data 26 of ions emitted in a direction that forms an angle with respect to the main axis X of the ion beam emitted from the target 12 irradiated with the laser; A time counter 32 that repeats time counting at the same period T as the laser oscillation period T (FIG. 2), a detection data assigning unit 33 that assigns the signal value of the detection data 26 to the timing of the time count, and target ions constituting the ion beam A timing setting unit 35 that sets a timing corresponding to a mass-to-charge ratio of impurity ions different from, a determination unit 36 that determines whether or not the signal value of detection data 26 that matches the timing of impurity ions exceeds a threshold value, And an abnormal signal output unit 37 that outputs an abnormal signal when it is determined that the threshold value is exceeded.

図2のタイミングチャートに示すように、レーザ発振部13は、一定の周期間隔で断続的にレーザバルス13a,13b,13cを発振している。
一つのレーザバルス13aがターゲット12に照射されると、次のレーザバルス13bが照射されるまでの期間に、ターゲット12から放出された全てのイオンが飛行軌道25に沿って飛行して、検出部24に検出される。
As shown in the timing chart of FIG. 2, the laser oscillation unit 13 oscillates the laser pulses 13a, 13b, and 13c intermittently at regular intervals.
When one laser pulse 13a is irradiated onto the target 12, all the ions emitted from the target 12 fly along the flight trajectory 25 during the period until the next laser pulse 13b is irradiated. Detected.

したがって、検出データ取得部31では、質量電荷比(q/m)が大きいイオン種ほど、検出データが、早いタイミングで取得されることになる。
図2に示すタイムカウンタ32によるタイムカウントのリセットフラグ38は、レーザの発振周期Tと同じ周期Tで設定されており、検出データ26は、取得されたタイミングで、その信号値がタイムラインに割り付けられる。
Therefore, in the detection data acquisition unit 31, the detection data is acquired at an earlier timing as the ion species has a larger mass-to-charge ratio (q / m).
The time count reset flag 38 by the time counter 32 shown in FIG. 2 is set at the same period T as the laser oscillation period T, and the detection data 26 is assigned the signal value to the timeline at the acquired timing. It is done.

グラフ作成部34は、図3に示すように、横軸が時間(タイムライン)、縦軸が信号値に設定されたグラフを、レーザ発振の発振周期Tと同じ時間間隔で更新することができる。これにより、イオンビームの純度を、リアルタイムで監視することができる。   As shown in FIG. 3, the graph creating unit 34 can update a graph in which the horizontal axis is set to time (timeline) and the vertical axis is set to a signal value at the same time interval as the oscillation period T of laser oscillation. . Thereby, the purity of the ion beam can be monitored in real time.

図3のグラフは、6価から1価までのカーボンイオンの検出ピークが観測されている。
設定部35は、目的イオン及び不純物イオンの質量電荷比に対応するタイミングに対し、グラフ上にインジケータ39を設定する。
価数が異なる種々の元素イオンのインジケータ39の設定は、静電デフレクタ23(図1)の偏向半径r、電場E、イオン飛行距離等に基づいて計算により予め行うことが可能である。
In the graph of FIG. 3, detection peaks of carbon ions from hexavalent to monovalent are observed.
The setting unit 35 sets an indicator 39 on the graph for the timing corresponding to the mass-to-charge ratio of target ions and impurity ions.
The setting of the indicator 39 for various element ions having different valences can be made in advance by calculation based on the deflection radius r, electric field E, ion flight distance, etc. of the electrostatic deflector 23 (FIG. 1).

不純物イオン種の発生源は、ターゲット12に含まれる不純物と真空容器11内の残留ガスと、である。このため、イオンビームに混入する可能性の高い不純物元素は、ターゲット12の不純物データ等から把握することができるので、対応するインジケータ39を設定することができる。
例えば、図3に示すように、不純物元素である窒素(N)、酸素(O)の価数の異なるイオンの検出されるタイミングを予測して、インジケータ39を設定することができる。
The generation source of the impurity ion species is impurities contained in the target 12 and residual gas in the vacuum vessel 11. For this reason, since the impurity element which is highly likely to be mixed into the ion beam can be grasped from the impurity data of the target 12 or the like, the corresponding indicator 39 can be set.
For example, as shown in FIG. 3, the indicator 39 can be set by predicting the detection timing of ions having different valences of nitrogen (N) and oxygen (O) which are impurity elements.

ここで、イオン源10から出力されるイオンビームの最終的な構成イオンをC6+とする場合、不純物イオンであるN7+,O8+は、いずれも質量電荷比q/mが1/2で同じであるために、タイムラインにおける検出ピークが一致して、分離検出することができない。
そこで、カーボンイオンと分離検出が可能なN6+〜N1+、O7+〜O1+(O4+はC3+と分離でいないため除く)の検出ピークの有無を判断することにより、N7+、O8+イオンの混入の有無を間接的に推定することができる。
Here, when the final constituent ions of the ion beam output from the ion source 10 are C 6+ , the impurity ions N 7+ and O 8+ both have a mass-to-charge ratio q / m of 1 / 2 are the same, the detection peaks in the timeline coincide with each other and separation detection cannot be performed.
Therefore, by determining the presence or absence of detection peaks of N 6+ to N 1+ and O 7+ to O 1+ (excluded because O 4+ is not separated from C 3+ ) that can be separated and detected from carbon ions. , N 7+ and O 8+ ions can be indirectly estimated.

なお、不純物イオンは、混入量が元々微量であるために、検出ピークのS/N比が小さい場合がある。
この場合、検出データ割付部33(図1)は、異なる周期のタイムカウント上の共通のタイミングに割り付けられている検出データの信号値を加算することにより、検出ピークのS/N比を向上させることができる。
In addition, since the amount of impurity ions is originally very small, the S / N ratio of the detection peak may be small.
In this case, the detection data assigning unit 33 (FIG. 1) improves the S / N ratio of the detection peak by adding the signal value of the detection data assigned at the common timing on the time counts of different periods. be able to.

つまり、図2に示すように複数のタイミングのレーザパルス13a,13b,13cにより放出されたイオンの検出ピークを、タイミングを合わせて加算することにより、感度向上させることができる。
この場合、図3のグラフの更新間隔は、加算回数に比例して広がってしまうが、監視のリアルタイム性を低下させることはない。
That is, as shown in FIG. 2, the sensitivity can be improved by adding the detection peaks of ions emitted by the laser pulses 13a, 13b, and 13c at a plurality of timings at the same timing.
In this case, the update interval of the graph of FIG. 3 increases in proportion to the number of additions, but does not degrade the real-time property of monitoring.

判定部36は、不純物イオンのタイミング(インジケータ39)における信号値、もしくは検出ピークの積分値が、閾値を超えるか否かを判定する。
これにより、イオンビームに含まれる種々の不純物イオンを価数別に分けて、イオンビームの純度を評価することができる。
もしくは、判定部36は、不純物イオンのタイミング(インジケータ39)における検出データを全て加算した信号値が閾値を超えるか否かを判定する。
これにより、イオンビームに含まれる種々の不純物イオンを全て同一視して、イオンビームの純度を評価することができる。
The determination unit 36 determines whether the signal value at the impurity ion timing (indicator 39) or the integrated value of the detected peaks exceeds a threshold value.
Thereby, the purity of the ion beam can be evaluated by dividing various impurity ions contained in the ion beam by valence.
Or the determination part 36 determines whether the signal value which added all the detection data in the timing (indicator 39) of an impurity ion exceeds a threshold value.
Thereby, all the various impurity ions contained in the ion beam can be identified and the purity of the ion beam can be evaluated.

異常信号出力部37は、判定部36において閾値超えの判定がなされた場合に、イオンビームの純度が低下したことを示す異常信号27を出力する。   The abnormal signal output unit 37 outputs an abnormal signal 27 indicating that the purity of the ion beam has decreased when the determination unit 36 determines that the threshold value is exceeded.

図4のブロック図に示すように、実施形態に係るイオンビームの純度監視装置30が適用されたイオン加速器は、イオン源10と、高周波四重極(RFQ:Radio Frequency Quadrupole)線形加速器41と、ドリフトチューブ線形加速器(DTL)42と、円形加速器43と、から構成され、イオンビームを加速して重粒子線として出力する。   As shown in the block diagram of FIG. 4, the ion accelerator to which the ion beam purity monitoring device 30 according to the embodiment is applied includes an ion source 10, a radio frequency quadrupole (RFQ) linear accelerator 41, It consists of a drift tube linear accelerator (DTL) 42 and a circular accelerator 43, which accelerates the ion beam and outputs it as a heavy particle beam.

RFQ線形加速器41は、イオン源10の後段に接続され、高周波により四重極の電場を形成する4枚の電極(図示略)を備えている。RFQ線形加速器41は、イオン源10からのイオンビームに対し、四重極の電場により加速と収束とを同時に行う。   The RFQ linear accelerator 41 is connected to the subsequent stage of the ion source 10 and includes four electrodes (not shown) that form a quadrupole electric field by high frequency. The RFQ linear accelerator 41 simultaneously accelerates and converges the ion beam from the ion source 10 with a quadrupole electric field.

DTL42は、RFQ線形加速器41の後段に接続され、高周波により中心軸に沿う電場を形成する電極(図示略)と、中心軸に沿って各々離れて配置されたドリフトチューブ(図示略)と、を備えている。
DTL42は、電場が中心軸に平行な進行方向に向かう期間において、RFQ線形加速器41からのイオンビームを加速させ、電場が進行方向とは逆に向かう期間において、イオンビームをドリフトチューブの中に通過させることにより、イオンビームを徐々に加速させる。
The DTL 42 is connected to the rear stage of the RFQ linear accelerator 41, and includes an electrode (not shown) that forms an electric field along the central axis by a high frequency, and a drift tube (not shown) that is arranged apart from each other along the central axis. I have.
The DTL 42 accelerates the ion beam from the RFQ linear accelerator 41 in a period in which the electric field is in the traveling direction parallel to the central axis, and passes the ion beam into the drift tube in a period in which the electric field is in the direction opposite to the traveling direction. As a result, the ion beam is gradually accelerated.

円形加速器43は、DTL42の後段に接続され、高周波により周回軌道に沿う電場を形成する電極(図示略)を備えている。
円形加速器43は、DTL42からのイオンビームを電場により周回軌道に沿って周回加速させて、照射対象の部位に照射するための重粒子線45を出力する。
The circular accelerator 43 is connected to a subsequent stage of the DTL 42 and includes an electrode (not shown) that forms an electric field along a circular orbit by a high frequency.
The circular accelerator 43 circulates and accelerates the ion beam from the DTL 42 along the circular orbit by an electric field, and outputs a heavy particle beam 45 for irradiating a site to be irradiated.

ゲートバルブ44は、RFQ線形加速器41の入力、DTL42の入力、及び円形加速器43の入力のいずれかの位置に設置されている(図示は、円形加速器43の入力)。
ゲートバルブ44は、イオンビームの純度監視装置30が出力する異常信号27に応じて閉じることによりイオンビームの出力を停止する。
すなわち、不純物イオンの混入によりイオンビームの純度が低下した場合、イオン加速器は、ゲートバルブ44を閉じて、運転を停止する。
The gate valve 44 is installed at any one of the input of the RFQ linear accelerator 41, the input of the DTL 42, and the input of the circular accelerator 43 (illustration shows the input of the circular accelerator 43).
The gate valve 44 stops the output of the ion beam by closing in response to the abnormal signal 27 output from the ion beam purity monitoring device 30.
That is, when the purity of the ion beam decreases due to the mixing of impurity ions, the ion accelerator closes the gate valve 44 and stops operation.

図5のフローチャートに基づいて、実施形態に係るイオンビームの純度監視装置の動作を説明する(適宜、図1参照)。
ターゲット12の不純物元素、付着水分、真空容器11内の残留ガス成分等から、イオンビームに含まれる不純物イオンを推定し、これら不純物イオンの質量電荷比に対応する検出タイミングを、設定部35に設定する(S11)。
The operation of the ion beam purity monitoring apparatus according to the embodiment will be described based on the flowchart of FIG. 5 (see FIG. 1 as appropriate).
Impurity ions contained in the ion beam are estimated from the impurity elements of the target 12, adhering moisture, residual gas components in the vacuum vessel 11, and the like, and the detection timing corresponding to the mass-to-charge ratio of these impurity ions is set in the setting unit 35. (S11).

レーザ発振部13のレーザ発振周期Tの情報を取得し(S12)、リセットフラグ38を周期Tの時間間隔で設定し、タイムカウンタ32によるカウントをスタートさせる(S13)。   Information on the laser oscillation period T of the laser oscillation unit 13 is acquired (S12), the reset flag 38 is set at a time interval of the period T, and counting by the time counter 32 is started (S13).

レーザの照射を開始し、ターゲット12から検出部24まで飛行したイオンの検出データを取得部31において取得する(S14)。
そして、取得した検出データの信号値を、タイムカウントのタイミングに従ってタイムライン上(図3:横軸)に、縦軸に対し割り付ける(S15)。
Laser irradiation is started, and detection data of ions flying from the target 12 to the detection unit 24 is acquired by the acquisition unit 31 (S14).
And the signal value of the acquired detection data is allocated with respect to a vertical axis | shaft on a timeline (FIG. 3: horizontal axis) according to the timing of a time count (S15).

レーザ発振の一つの周期が経過する過程において、質量電荷比q/mの大きいものから順番に検出データが取得されてタイムラインに割り付けられていく(S16:No)。
そして、レーザ発振の一つの周期が経過して次の周期Tに入ったところで(S16:Yes)、タイムカウンタ32をリセットし(S17:No,S13)、上述した(S16)までのフローを繰り返す。この(S13)〜(S17:No)のフローを繰り返す度に、検出ピークがS/N比が向上する。
加算回数が所定値に到達したところで(S17:Yes)、不純物イオンのタイミングに一致する検出ピークが閾値を超えるか否かを判定する(S18)。
In the process in which one cycle of laser oscillation elapses, detection data is acquired in order from the largest mass to charge ratio q / m and assigned to the timeline (S16: No).
Then, when one cycle of laser oscillation has elapsed and the next cycle T has been entered (S16: Yes), the time counter 32 is reset (S17: No, S13), and the flow up to (S16) described above is repeated. . Each time the flow from (S13) to (S17: No) is repeated, the S / N ratio of the detection peak improves.
When the number of additions reaches a predetermined value (S17: Yes), it is determined whether or not the detection peak that coincides with the timing of the impurity ions exceeds the threshold value (S18).

そして、閾値超えの判定がなされない場合は(S19:No)、タイムカウンタ32をリセットし(S13)、上述した(S19)までのフローを繰り返し、イオン加速器の運転を継続する。
そして、閾値超えの判定がなされた場合は、イオンビームの純度が低下したと判断して異常信号を出力し、イオン加速器の運転を緊急停止する(S20)。
If the determination of exceeding the threshold is not made (S19: No), the time counter 32 is reset (S13), the flow up to (S19) described above is repeated, and the operation of the ion accelerator is continued.
If it is determined that the threshold value is exceeded, it is determined that the purity of the ion beam has decreased, an abnormal signal is output, and the operation of the ion accelerator is urgently stopped (S20).

以上述べた少なくともひとつの実施形態のイオンビームの純度監視装置によれば、ターゲットに照射するレーザの発振周期に同期して放出されるイオン種の定性・定量分析を行うことにより、リアルタイムで安定的に、不純物イオンの混入の有無を監視することが可能となる。   According to the ion beam purity monitoring apparatus of at least one of the embodiments described above, the qualitative / quantitative analysis of the ion species emitted in synchronization with the oscillation cycle of the laser irradiating the target is performed in a stable manner in real time. In addition, it is possible to monitor the presence or absence of impurity ions.

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、組み合わせ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。
また、イオンビームの純度監視装置の構成要素は、コンピュータのプロセッサで実現することも可能であり、イオンビームの純度監視プログラムにより動作させることが可能である。
Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, changes, and combinations can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
The constituent elements of the ion beam purity monitoring apparatus can be realized by a processor of a computer, and can be operated by an ion beam purity monitoring program.

10…イオン源、11…真空容器、12…ターゲット、13…レーザ発振部、13a,13b,13c…レーザパルス、14…プラズマ、15…通過孔、16…連通路、17…線形加速器、18…コリメータ、19…プラズマ輸送管、20…分析部、21…分岐孔、23…静電デフレクタ、24…検出部、25…飛行軌道、26…検出データ、27…異常信号、30…イオンビームの純度監視装置、31…検出データ取得部(取得部)、32…タイムカウンタ、33…検出データ割付部(割付部)、34…グラフ作成部、35…タイミング設定部(設定部)、36…判定部、37…異常信号出力部(出力部)、38…リセットフラグ、39…インジケータ、41…高周波四重極線形加速器(RFQ)、42…ドリフトチューブ線形加速器(DTL)、43…円形加速器、44…ゲートバルブ、45…重粒子線。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Ion source, 11 ... Vacuum container, 12 ... Target, 13 ... Laser oscillation part, 13a, 13b, 13c ... Laser pulse, 14 ... Plasma, 15 ... Pass-through hole, 16 ... Communication path, 17 ... Linear accelerator, 18 ... Collimator, 19 ... plasma transport tube, 20 ... analyzer, 21 ... branch hole, 23 ... electrostatic deflector, 24 ... detector, 25 ... flight trajectory, 26 ... detection data, 27 ... abnormal signal, 30 ... purity of ion beam Monitoring device 31 ... detection data acquisition unit (acquisition unit) 32 ... time counter 33 ... detection data allocation unit (allocation unit) 34 ... graph creation unit 35 ... timing setting unit (setting unit) 36 ... determination unit 37 ... Abnormal signal output unit (output unit), 38 ... Reset flag, 39 ... Indicator, 41 ... High frequency quadrupole linear accelerator (RFQ), 42 ... Drift tube linear accelerator (D L), 43 ... circular accelerator, 44 ... gate valve, 45 ... heavy ion.

Claims (5)

レーザが照射されたターゲットから放出されるイオンビームの主軸に対し角度をなす方向に放出されたイオンの検出データを取得する取得部と、
前記レーザの発振周期と同じ周期でタイムカウントを繰り返すタイムカウンタと、
前記検出データの信号値を前記タイムカウントのタイミングに割り付ける割付部と、
前記イオンビームを構成する目的イオンとは異なる不純物イオンの質量電荷比に対応するタイミングを設定する設定部と、
前記不純物イオンのタイミングに一致する前記検出データの信号値が閾値を超えるか否かを判定する判定部と、
前記閾値超えの判定がなされた場合に異常信号を出力する出力部と、を備えることを特徴とするイオンビームの純度監視装置。
An acquisition unit for acquiring detection data of ions emitted in a direction that forms an angle with respect to a main axis of an ion beam emitted from a target irradiated with a laser;
A time counter that repeats time counting at the same cycle as the laser oscillation cycle;
An assigning unit for assigning the signal value of the detection data to the timing of the time count;
A setting unit for setting timing corresponding to a mass-to-charge ratio of impurity ions different from target ions constituting the ion beam;
A determination unit that determines whether a signal value of the detection data that coincides with the timing of the impurity ions exceeds a threshold;
An ion beam purity monitoring device comprising: an output unit that outputs an abnormal signal when the determination of exceeding the threshold value is made.
前記割付部は、異なる周期の前記タイムカウント上の共通のタイミングに割り付けられている前記検出データの信号値を加算することを特徴とする請求項1に記載のイオンビームの純度監視装置。   2. The ion beam purity monitoring apparatus according to claim 1, wherein the assigning unit adds a signal value of the detection data assigned to a common timing on the time count of different periods. 前記判定部は、前記不純物イオンのタイミングにおける前記検出データを全て加算した信号値が前記閾値を超えるか否かを判定することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のイオンビームの純度監視装置。   The purity of the ion beam according to claim 1 or 2, wherein the determination unit determines whether or not a signal value obtained by adding all the detection data at the timing of the impurity ions exceeds the threshold value. Monitoring device. レーザが照射されたターゲットから放出されるイオンビームの主軸に対し角度をなす方向に放出されたイオンの検出データを取得するステップと、
前記レーザの発振周期と同じ周期でタイムカウントを繰り返すステップと、
前記検出データの信号値を前記タイムカウントのタイミングに割り付けるステップと、
前記イオンビームを構成する目的イオンとは異なる不純物イオンの質量電荷比に対応するタイミングを設定するステップと、
前記不純物イオンのタイミングに一致する前記検出データの信号値が閾値を超えるか否かを判定するステップと、
前記閾値超えの判定がなされた場合に異常信号を出力するステップと、を含むことを特徴とするイオンビームの純度監視方法。
Obtaining detection data of ions emitted in a direction that makes an angle with respect to a main axis of an ion beam emitted from a target irradiated with a laser;
Repeating time counting at the same cycle as the laser oscillation cycle;
Assigning the signal value of the detection data to the timing of the time count;
Setting a timing corresponding to a mass-to-charge ratio of impurity ions different from target ions constituting the ion beam;
Determining whether a signal value of the detection data matching the timing of the impurity ions exceeds a threshold;
Outputting an abnormal signal when it is determined that the threshold value is exceeded, and a method of monitoring the purity of the ion beam.
コンピュータに、
レーザが照射されたターゲットから放出されるイオンビームの主軸に対し角度をなす方向に放出されたイオンの検出データを取得するステップ、
前記レーザの発振周期と同じ周期でタイムカウントを繰り返すステップ、
前記検出データの信号値を前記タイムカウントのタイミングに割り付けるステップ、
前記イオンビームを構成する目的イオンとは異なる不純物イオンの質量電荷比に対応するタイミングを設定するステップ、
前記不純物イオンのタイミングに一致する前記検出データの信号値が閾値を超えるか否かを判定するステップ、
前記閾値超えの判定がなされた場合に異常信号を出力するステップ、を実行させることを特徴とするイオンビームの純度監視プログラム。
On the computer,
Obtaining detection data of ions emitted in a direction that makes an angle with respect to a main axis of an ion beam emitted from a target irradiated with a laser;
Repeating time counting at the same cycle as the laser oscillation cycle,
Assigning the signal value of the detection data to the timing of the time count;
Setting timing corresponding to the mass-to-charge ratio of impurity ions different from target ions constituting the ion beam;
Determining whether the signal value of the detection data that coincides with the timing of the impurity ions exceeds a threshold;
An ion beam purity monitoring program that executes a step of outputting an abnormal signal when it is determined that the threshold value is exceeded.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108511309A (en) * 2018-05-28 2018-09-07 河南太粒科技有限公司 A kind of lasing ion source device
WO2021039647A1 (en) * 2019-08-29 2021-03-04 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構 Ion beam irradiation system, ion beam purity measurement method, ion beam purity measurement device, and ion beam purity measurement program

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07272653A (en) * 1994-03-29 1995-10-20 Jeol Ltd Adjusting method for electric field ionizing type gas phase ion source and ion beam device
JPH08501407A (en) * 1992-03-06 1996-02-13 ヒューレット―パッカード・カンパニー Laser desorption / ionization mass monitor (LDIM)
JP2011512655A (en) * 2008-02-12 2011-04-21 ヴァリアン セミコンダクター イクイップメント アソシエイツ インコーポレイテッド Closed loop control and process optimization in a plasma doping process using a time-of-flight ion detector
JP2012099226A (en) * 2010-10-29 2012-05-24 Ayabo:Kk Plasma analysis method and device of hipims sputter source by tof mass spectroscopy
JP2013187057A (en) * 2012-03-08 2013-09-19 Toshiba Corp Ion source, heavy-ion beam irradiation system, driving method of ion source, and heavy-ion beam irradiation method

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08501407A (en) * 1992-03-06 1996-02-13 ヒューレット―パッカード・カンパニー Laser desorption / ionization mass monitor (LDIM)
JPH07272653A (en) * 1994-03-29 1995-10-20 Jeol Ltd Adjusting method for electric field ionizing type gas phase ion source and ion beam device
JP2011512655A (en) * 2008-02-12 2011-04-21 ヴァリアン セミコンダクター イクイップメント アソシエイツ インコーポレイテッド Closed loop control and process optimization in a plasma doping process using a time-of-flight ion detector
JP2012099226A (en) * 2010-10-29 2012-05-24 Ayabo:Kk Plasma analysis method and device of hipims sputter source by tof mass spectroscopy
JP2013187057A (en) * 2012-03-08 2013-09-19 Toshiba Corp Ion source, heavy-ion beam irradiation system, driving method of ion source, and heavy-ion beam irradiation method

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108511309A (en) * 2018-05-28 2018-09-07 河南太粒科技有限公司 A kind of lasing ion source device
WO2021039647A1 (en) * 2019-08-29 2021-03-04 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構 Ion beam irradiation system, ion beam purity measurement method, ion beam purity measurement device, and ion beam purity measurement program
JP7406832B2 (en) 2019-08-29 2023-12-28 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構 Ion beam irradiation system, ion beam purity measurement method, ion beam purity measurement device, and ion beam purity measurement program

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