JP2021176120A - マイクロ波イオン源とそれを備えた粒子加速システム - Google Patents
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Abstract
【課題】長時間にわたって安定なイオンビームが得られるマイクロ波イオン源とそれを備えた粒子加速システムを提供する【解決手段】放電室８と、周囲を磁性体１で囲んで構成した磁場発生部４と、マイクロ波伝送部６と、一つ以上の開口部を有する引き出し電極３と、プラズマ電極２と、を備え、プラズマ電極２が磁性体１で構成され、磁場発生部４が引き出し電極３よりも放電室８側に配置され、磁性体１とプラズマ電極２との境界面のうち最も外側の部分が、プラズマ電極２を支持する電極支持体９の内周面９ａより外側に設けられている。【選択図】 図２
Description
本発明は、イオンビームを形成するマイクロ波イオン源とそれを備えた粒子加速システムに関する。
マイクロ波を利用して円筒型の放電室にプラズマを生成するイオン源では、プラズマ生成用の磁場が引き出し電極空間へ漏洩するのを防ぎ、電極表面の汚染や損傷を抑えて長時間安定なイオンビームを得ることができるイオン源の一例として、特許文献１に記載の技術がある。この公報には、「磁場を発生する手段の周囲あるいは周囲の一部に磁性体を配置するようにしたものである。さらに変換導波管の一部および放電室の一部を磁性体で構成するとともにプラズマ電極を磁性体で構成した」という記載がある。
従来から、円筒型の放電室を有するイオン源では、上述した特許文献１に記載されているように、放電室の周囲に空心型の電磁石を配置して放電室内に磁場を発生させ、さらに放電室内にマイクロ波と試料ガスを導入してプラズマを生成し、プラズマに隣接して設置されたイオン引き出し電極によってイオンを引き出してイオンビームを得ている。
イオンビームを引き出す場合は、イオン引き出し電極に直流高電圧を印加する。ここで、特許文献１では、プラズマ電極が磁性体で形成され、引き出し電極の近傍で磁路と接続されている。
しかしながら、本発明者が鋭意検討した結果、特許文献１に記載の構造では、引き出し電極の組立時に当該電極と磁場発生部との接触がうまくいかずに隙間ができた場合や傾いた場合に課題が生じることが明らかとなった。
具体的には、特許文献１の構成では、電界のかかるイオンビーム引き出し空間に磁場が漏洩し、電極間放電を引き起こすことが想定されていなかった。そのため、この漏洩磁場で発生した微小プラズマから発生した電子が、プラズマ電極を支えている絶縁物で構成された電極支持体の沿面放電を引き起こし、安定してイオンビームを引き出すことを阻害する要因となり得ることが明らかとなり、改善の余地があることが明らかとなった。
そこで本発明では、長時間にわたって安定なイオンビームが得られるマイクロ波イオン源とそれを備えた粒子加速システムを提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、放電室と、周囲を磁性体で囲んで構成した磁場発生部と、マイクロ波伝送部と、一つ以上の開口部を有する引き出し電極と、プラズマ電極と、を備え、前記プラズマ電極が磁性体で構成され、前記磁場発生部が前記引き出し電極よりも前記放電室側に配置され、前記磁性体と前記プラズマ電極との境界面のうち最も外側の部分が、前記プラズマ電極を支持する電極支持体の内周面より外側に設けられていることを特徴とする。
本発明によれば、長時間にわたって安定なイオンビームが得られる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。
本発明のマイクロ波イオン源とそれを備えた粒子加速システムの実施例について図１乃至図１１を用いて説明する。
最初に、粒子加速システムの全体構成について図１を用いて説明する。図１は、本発明のマイクロ波イオン源を用いた加速器の概要を示す図である。
図１において、粒子加速システム２００は、マイクロ波イオン源１００、レンズコイル１５１ａ，１５１ｂ、加速器１５２を備える。
このような粒子加速システム２００では、マイクロ波イオン源１００で発生させたイオンビーム１０をレンズコイル１５１ａ，１５１ｂで加速器１５２の入射に適したイオンビーム形状に成形する。その後、加速器１５２によって所定のエネルギーまで加速し、最終的に高エネルギーイオンビーム１５３を得る。
レンズコイル１５１ａ，１５１ｂは、図では２個使用した例を示したが、１個以上であれば数に制限はない。また、レンズコイル１５１ａ，１５１ｂは円形で、空芯型でも周囲に磁性体を設置してもよい。
イオンビーム１０は水素、ヘリウム、炭素などがあるが特に限定するものではない。
加速器１５２は線形加速器、静電加速器、円形加速器などがあり、イオンビームを用いた加速器であれば、特に限定するものではない。
次にマイクロ波イオン源１００の構造について、図２乃至図４を用いて説明する。図２は本実施例のマイクロ波イオン源の横断面図である。図３は本実施例のマイクロ波イオン源のうち、プラズマ電極と磁性体との接続領域の部分拡大図である。図４は参考例のマイクロ波イオン源のうち、プラズマ電極と磁性体との接続領域の部分拡大図である。
図２に示すマイクロ波イオン源１００は、磁性体１、プラズマ電極２、引き出し電極３、磁場発生部４、電極支持体９、放電室８、マイクロ波伝送部６、マイクロ波導入窓５、磁場補正磁極７で構成される。
磁性体１、プラズマ電極２、および磁場補正磁極７は、例えば鉄製で、透磁率が高ければ高いほど、磁性体１の外部への磁場漏洩を少なくできる。
磁場発生部４は円形コイルであり、その周囲が磁性体１に囲まれているとともに、引き出し電極３よりも放電室８側に配置されている。磁場発生部４は、マイクロ波イオン源１００中に１個以上が設置される。１個でも良いが、放電室８内の磁場分布を調整するためには２個以上の設置が特に有効である。
磁場補正磁極７は、放電室８内において高密度プラズマが生成できるよう放電室８内の中心軸方向磁場分布を調整するために設けられており、その形状、位置が、必要とする磁場分布になるように調整される。
引き出し電極３は、非磁性体で構成されており、２枚以上で構成される。引き出し電極３のうち、イオンビーム１０の引き出し方向下流側より２枚目の電極には、逆流電子抑制のため負電位が印加され、最下流の電極は０ボルトが印加される。負電位は例えば−３キロボルトなどである。
引き出し電極の枚数は、引き出し電圧によって調整され、電圧が高くなるにつれて複数枚の電極を使用することも可能である。その場合はイオンビーム１０の下流より２枚目の電極とプラズマ電極２間に挿入される。プラズマ電極２は正イオンを引き出す場合には正の電圧、例えば数十キロボルトの正電圧が印加される。負イオンを引き出す場合には同程度の負電圧が印加される。
また、イオンビーム１０を形成するために、プラズマ電極２および引き出し電極３にはビーム通過用の孔（開口部）が設けられている。孔は円形あるいはスリット形状で、一つの電極に１個あるいは複数個設置されている。
電極支持体９はプラズマ電極２と引き出し電極３を絶縁支持するために、絶縁物で構成される。材質については絶縁物であればよく、特に規定するものではないが、好適にはアルミナや樹脂で形成される。
放電室８は、その放電室８内にプラズマ電極２からマイクロ波導入窓５に向かう磁場Ｂを生成する必要があるため、円筒型の非磁性で構成される。
マイクロ波伝送部６は、マイクロ波１１を伝送するために円形断面あるいは矩形断面の導波管が使用される。マイクロ波１１は例えば２．４５ギガヘルツ（ＧＨｚ）などであるが、特に規定するものではない。
マイクロ波導入窓５は、真空となる放電室８にマイクロ波を導入するために真空封止を兼ねた誘電体窓である。材質としては石英や窒化アルミなどである。誘電率が低く、ち密な材料であれば好適に使用可能である。さらに、記載はしていないが、逆流電子の熱からマイクロ波導入窓５を保護するために、マイクロ波導入窓５のプラズマ電極２側にボロンナイトライドなどで構成される保護板を設置することもある。なお、材質にはボロンナイトライドのほか、熱に強く、誘電率の低い材料であれば使用可能であり、特に限定するものではない。
更に、本実施例では、図２や図３に示すように、磁性体１とプラズマ電極２との境界面のうち最も外側の部分１２が、プラズマ電極２を支持する電極支持体９の内周面９ａより中心軸方向外側に、言い換えると、真空領域外に設けられている。更には、電極支持体９の外周面９ｂより中心軸方向外側に設けられている。
また、磁性体１とプラズマ電極２との境界面は、電極支持体９とプラズマ電極２との接触面と平行な面を１か所有している。
磁性体１とプラズマ電極２との境界面のうち最も内側の部分１３については特に規定はないが、磁場発生部４等の部分とする。
図４に示すような参考例の指示構造は、電極２２と磁性体２１とが支持体２９の内周側内で接する構造では、電極２２と磁性体２１との間に隙間２４ができた場合、磁場Ｂに漏れ磁場ＢＬが生じてしまう。この漏れ磁場ＢＬによる放電が発生してしまう怨みがあった。
これに対し、図２および図３に示すように、電極支持体９の内周面９ａ、更には外周面９ｂより外側で磁性体１とプラズマ電極２とが接する本発明の構造によれば、磁性体１とプラズマ電極２との間に隙間が生じて漏れ磁場ＢＬが生じたとしても、その漏れ磁場ＢＬの生ずる位置はプラズマ電極２や引き出し電極３より外側の大気圧の領域であり、漏れ磁場ＢＬが電極支持体９を横切ることがなく、沿面放電が生じる余地はほとんどなくなる。
上記のように構成されたマイクロ波イオン源１００は次のように動作する。
マイクロ波伝送部６によって伝送されたマイクロ波１１はマイクロ波導入窓５を通って放電室８に導入される。放電室８内には、磁場発生部４と磁性体１、プラズマ電極２、磁場補正磁極７によって形成された磁場Ｂが形成され、外部から導入する試料ガス、例えば陽子イオンを生成する場合は水素ガスを導入し、導入されたマイクロ波１１と発生した磁場によってプラズマを生成する。
生成されたプラズマから引き出し電極３による電界によってプラズマ電極２および引き出し電極３に設けた孔からイオンビーム１０を引き出す。
次に、プラズマ電極２と磁性体１の別の接続構造について、図５乃至図１１を用いて説明する。図５乃至図１１は、本実施例のマイクロ波イオン源の他の一例を示す断面図である。
図５のマイクロ波イオン源１００Ａは、磁場発生部４の磁性体１Ａとプラズマ電極２Ａとの境界面が電極支持体９側に設けられており、その最も外側の部分１２Ａが、電極支持体９の内周面９ａはもとより外周面９ｂより外側に設けられているとともに、プラズマ電極２Ａと電極支持体９の接触面と平行となるプラズマ電極２Ａと磁性体１Ａとの境界面を２か所有している形態である。このため、プラズマ電極２Ａと磁性体１Ａとの境界面は３面で構成される。なお、境界面は３面以上とすることができる。
図６のマイクロ波イオン源１００Ｂは、プラズマ電極２Ｂと磁性体１Ｂの境界面が電極支持体９側に設けられており、その境界面の最も外側の部分１２Ｂがプラズマ電極２Ｂと電極支持体９の接触面と平行となっている１つの面で構成されている形態である。
図７のマイクロ波イオン源１００Ｃは、プラズマ電極２Ｃと磁性体１Ｃの境界面が電極支持体９側に設けられている。そのうち、磁場発生部４の磁性体１Ｃとプラズマ電極２Ｃとの境界面の最も外側の部分１２Ｃは電極支持体９の内周面９ａより外側であるが、外周面９ｂよりは内側に設けられている形態である。
図８のマイクロ波イオン源１００Ｄは、プラズマ電極２Ｄと磁性体１Ｄの境界面が電極支持体９側に設けられており、その境界面がプラズマ電極２Ｄと電極支持体９の接触面と垂直となっている１つの面で形態である。この場合も、磁場発生部４の磁性体１Ｄとプラズマ電極２Ｄとの境界面の最も外側の部分１２Ｄは電極支持体９の外周面９ｂより外側に設けられている。
図９のマイクロ波イオン源１００Ｅは、プラズマ電極２Ｅと磁性体１Ｅの境界面が１つの面で構成されており、その境界面が磁性体１の中心軸方向外周側に設けられており、最も外側の部分１２Ｅも電極支持体９の外周面９ｂより外側に設けられている形態である。
図１０のマイクロ波イオン源１００Ｆは、プラズマ電極２Ｆと磁性体１Ｆの境界面が１つの面で構成されており、プラズマ電極２Ｆと電極支持体９の接触面と垂直となっている。また、その境界面がマイクロ波導入窓５側に配置されており、最も外側の部分１２Ｆも電極支持体９の外周面９ｂより外側に設けられている形態である。
上述の図９や図１０に示すように、プラズマ電極２Ｅ，２Ｆと磁性体１Ｅ，１Ｆの境界面が電極支持体９側に設けられない場合においても、図２や図５等のように境界面を３面以上で構成したり、電極支持体９とプラズマ電極２Ｅ，２Ｆとの接触面と平行な領域を１つ以上設けることができる。
さらには、図１１に示すように、マイクロ波イオン源１００Ｇは、プラズマ電極２Ｇと磁性体１Ｇとを一体構造とすることができる。なお、この場合、磁場発生部４等を設置する際に工夫することが望ましい。
次に、本実施例の効果について説明する。
上述した本実施例のマイクロ波イオン源１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ，１００Ｆでは、磁性体１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆとプラズマ電極２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆとの境界面のうち最も外側の部分１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ，１２Ｅ，１２Ｆが、プラズマ電極２を支持する電極支持体９の内周面９ａより外側、すなわち真空領域外に設けられている。
これによって、プラズマ生成用の磁場がイオンビーム１０の引き出し領域や電極支持体９近傍へ漏洩することを防止することができる。その結果、漏洩磁場によるプラズマや電子の生成を抑えることができ、プラズマ電極２と引き出し電極３の間に発生する電極間放電や、電極支持体９の沿面放電を防止できる。従って、長時間に亘って安定にイオンビーム１０を引き出せる、との効果が得られる。
また、境界面は、電極支持体９とプラズマ電極２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃとの接触面と平行な面を１か所以上有していることや、境界面を３面以上で構成することにより、境界面が磁場Ｂと平行方向となる領域を設けることができ、万が一、磁性体１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃとプラズマ電極２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ間に隙間が発生したり、傾いたりした場合でも、磁場Ｂは電極支持体９側へ漏洩する量をより少なくすることができ、電極支持体９への磁場の漏洩をより確実に抑えることができる。
更に、磁性体１，１Ａ，１Ｂ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆとプラズマ電極２，２Ａ，２Ｂ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆとの境界面のうち最も外側の部分１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｄ，１２Ｅ，１２Ｆが、プラズマ電極２を支持する電極支持体９の外周面９ｂより外側に設けられていることによって、より確実に沿面放電の防止を図ることができる。
また、磁性体１Ｇとプラズマ電極２Ｇとを一体構造としたことで、磁性体１Ｇとプラズマ電極２Ｇとの境界面が存在しない構造、すなわち電極支持体９の近傍に漏洩磁場が発生することが無い構造とすることができ、電極間放電や沿面放電が生じることのない構造とすることができる。
＜その他＞
なお、本発明は上記の実施例に限られず、種々の変形、応用が可能なものである。上述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。
なお、本発明は上記の実施例に限られず、種々の変形、応用が可能なものである。上述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，１Ｇ…磁性体
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆ，２Ｇ…プラズマ電極
３…引き出し電極
４…磁場発生部
５…マイクロ波導入窓
６…マイクロ波伝送部
７…磁場補正磁極
８…放電室
９…電極支持体
９ａ…内周面
９ｂ…外周面
１０…イオンビーム
１１…マイクロ波
１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ，１２Ｅ，１２Ｆ…外側部分
１３…内側部分
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ，１００Ｆ，１００Ｇ…マイクロ波イオン源
１５１ａ，１５１ｂ…レンズコイル
１５２…加速器
１５３…高エネルギーイオンビーム
２００…粒子加速システム
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Claims (7)
- 放電室と、
周囲を磁性体で囲んで構成した磁場発生部と、
マイクロ波伝送部と、
一つ以上の開口部を有する引き出し電極と、
プラズマ電極と、を備え、
前記プラズマ電極が磁性体で構成され、
前記磁場発生部が前記引き出し電極よりも前記放電室側に配置され、
前記磁性体と前記プラズマ電極との境界面のうち最も外側の部分が、前記プラズマ電極を支持する電極支持体の内周面より外側に設けられている
ことを特徴とするマイクロ波イオン源。 - 請求項１に記載のマイクロ波イオン源において、
前記境界面は、前記プラズマ電極を支持する電極支持体と前記プラズマ電極との接触面と平行な面を１か所以上有している
ことを特徴とするマイクロ波イオン源。 - 請求項１に記載のマイクロ波イオン源において、
前記境界面を、３面以上で構成する
ことを特徴とするマイクロ波イオン源。 - 請求項１に記載のマイクロ波イオン源において、
前記磁性体と前記プラズマ電極との境界面のうち最も外側の部分が、前記プラズマ電極を支持する電極支持体の外周面より外側に設けられている
ことを特徴とするマイクロ波イオン源。 - 放電室と、
周囲を磁性体で囲んで構成した磁場発生部と、
マイクロ波伝送部と、
一つ以上の開口部を有する引き出し電極と、
プラズマ電極と、を備え、
前記プラズマ電極が磁性体で構成され、
前記磁場発生部が前記引き出し電極よりも前記放電室側に配置され、
前記磁性体と前記プラズマ電極との境界面のうち最も外側の部分が、真空領域外に設けられている
ことを特徴とするマイクロ波イオン源。 - 放電室と、
周囲を磁性体で囲んで構成した磁場発生部と、
マイクロ波伝送部と、
一つ以上の開口部を有する引き出し電極と、
プラズマ電極と、を備え、
前記プラズマ電極が磁性体で構成され、
前記磁場発生部が前記引き出し電極よりも前記放電室側に配置され、
前記磁性体と前記プラズマ電極とが一体構造である
ことを特徴とするマイクロ波イオン源。 - 請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のマイクロ波イオン源と、
レンズコイルと、
加速器と、を備えた
ことを特徴とする粒子加速システム。
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