JP2022084397A - Ｅｃｒイオン源 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が可能なＥＣＲイオン源を提供すること。【解決手段】ＥＣＲイオン源(1)は、真空チャンバー(20)と、真空チャンバーを外側から覆い、径方向における断面形状が略コ字状となるよう凹部(35)が形成される鉄ヨーク(30)と、真空チャンバーを外側から覆い、鉄ヨークの凹部内に収容される電磁石(40)と、真空チャンバー内に電磁波を供給する電磁波供給源(50)と、を具備し、真空チャンバー内の電子(P)を、電磁波で加速させることでイオンを生成する。【選択図】 図１

Description

本出願において開示された技術は、ＥＣＲイオン源に関する。

従来から、電子サイクロトロン共鳴現象を利用してイオンを生成する、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）イオン源が知られている。

従来から知られるＥＣＲイオン源は、例えば、特許文献１及び特許文献２に開示されるように、チャンバー内の軸方向にミラー磁場を形成するソレノイドコイル又は永久磁石と、チャンバー内の径方向に多極磁場を形成する多重極（例えば６極）磁石とを含み、ミラー磁場と多重極磁場との合成磁場内に電子（プラズマ）を閉じ込める。閉じ込められた電子は、チャンバー内に別途入射されるマイクロ波等の高周波の電磁波によって、サイクロトロン共鳴により加速されチェンバー内部のガスをイオン化しプラズマを形成する。この際、生成されたイオンを引き出し電極によって引き出すことによりイオン源とされる。

昨今、ＥＣＲイオン源は、放射性同位体を生成させる加速器のイオン源として注目されている。具体的には、ＥＣＲイオン源で生成したイオンを加速器に入射し、その加速器から出射されるビームを所定のターゲットに照射して放射性同位体を生成し、生成された放射性同位体を人体に生じた癌の診断や治療等に応用することが提案されている。

また、ＥＣＲイオン源で生成したイオンを加速器に入射し、その加速器から出射されるビームを所定のターゲットに照射することでパイ中間子（二次粒子）を生成し、当該パイ中間子が崩壊することで、正電荷を有するミューオン（三次粒子）を生成して、当該ミューオンを新しい物質の磁性研究や材料の非破壊検査・評価等に応用することが提案されている。さらにまた、正電荷又は負電荷を有するミューオンは、半導体デバイスを通過する際にデバイス内部で原子核反応を起こすことが知られており、当該原子核反応に基づいて、半導体デバイス内でソフトエラーが発生することも知られていることから、宇宙線中性子由来のソフトエラー対策として、ミューオンを用いたソフトエラー評価・実験も提案されている。

特開２００３－２５７３２９号公報 特開２００４－２８１２０２号公報

特許文献１及び特許文献２に開示される技術は、ミラー磁場の形成のために、複数のソレノイドコイル又は永久磁石が用いられるため、ＥＣＲイオン源が大型化してしまうという課題がある。

そこで、様々な実施形態により、小型化が可能なＥＣＲイオン源を提供する。

一態様に係るＥＣＲイオン源は、真空チャンバーと、前記真空チャンバーを外側から覆い、径方向における断面形状が略コ字状となるよう凹部が形成される鉄ヨークと前記真空チャンバーを外側から覆い、前記鉄ヨークの前記凹部内に収容される電磁石と、前記真空チャンバー内に電磁波を供給する電磁波供給源と、を具備し、前記真空チャンバー内の電子を、前記電磁波で加速させることでイオンを生成する。

この構成によれば、１組の鉄ヨークと電磁石のみで真空チャンバー内にミラー磁場を形成することができるため、ＥＣＲイオン源を小型化することが可能となる。

また、一態様に係る前記ＥＣＲイオン源において、前記電磁石は、超電導線材によって形成される。

また、一態様に係る前記ＥＣＲイオン源において、前記鉄ヨーク及び前記電磁石は、略円環状である。

様々な実施形態によれば、小型化が可能なＥＣＲイオン源を提供することができる。

図１は、一実施形態に係るＥＣＲイオン源の構成を示す概略図である。 図２は、図１に示されたＥＣＲイオン源における鉄ヨーク及び電磁石を拡大して示す概略図である。 図３は、図１に示されたＥＣＲイオン源における鉄ヨーク及び電磁石近傍に形成される磁場を示す概略図である。

以下、添付図面を参照して本発明の様々な実施形態を説明する。なお、図面において共通した構成要件には同一の参照符号が付されている。また、或る図面に表現された構成要素が、説明の便宜上、別の図面においては省略されていることがある点に留意されたい。さらにまた、添付した図面が必ずしも正確な縮尺で記載されている訳ではないということに注意されたい。

１．ＥＣＲイオン源の構成
一実施形態に係るＥＣＲイオン源１の全体構成の概要について、図１及び図２を参照しつつ説明する。図１は、一実施形態に係るＥＣＲイオン源１の構成を示す概略図である。図２は、図１に示されたＥＣＲイオン源１における鉄ヨーク３０及び電磁石４０を拡大して示す概略図である。なお、本明細書において、「軸方向」とは、ＥＣＲイオン源１（又は真空チャンバー２０）の長手方向に平行する方向であって、図１においては、紙面左右方向を意味する。また、本明細書において、「径方向」とは、軸方向に直交し真空チャンバー２０の断面を形成する方向であって、図１においては、例えば紙面上下方向を意味する。「周方向」とは、「軸方向」を中心にして周回する方向を示す。

図１に示すように、一実施形態に係るＥＣＲイオン源１は、内部が真空に保持される真空チャンバー２０と、真空チャンバー２０を外側から覆うように配置される鉄ヨーク３０と、真空チャンバー２０を外側から覆い且つ鉄ヨーク３０に包囲されるように配置される電磁石４０と、真空チャンバー２０内に電磁波を供給する電磁波供給源５０と、を主に具備する。

一実施形態に係るＥＣＲイオン源１は、さらに、真空チャンバー２０内に材料ガスを供給するガス導入管（図示せず）、電磁波供給源５０と真空チャンバー２０とを接続する導波管６０、及び真空チャンバー２０内にて生成されるイオンを引き出すための引き出し電極７０等を含むことができる。

１－１．真空チャンバー２０
真空チャンバー２０は、従来と同様、円筒形状のものを用いることができるが、これに限定されず、様々な形状のものを用いることができる。また、真空チャンバー２０内を真空状態に維持する方法は、従来から知られる方法を採用することができる。

１－２．鉄ヨーク３０
鉄ヨーク３０は、一般的に用いられる材質のものを用いることができる。鉄ヨーク３０の形状は、真空チャンバー２０の形状に対応するものである。例えば、真空チャンバー２０が円筒形状である場合、鉄ヨーク３０は、図２に示すように、当該真空チャンバー２０を外側から覆うように、略円環状の形状を有することができるが、これに限定されない。換言すれば、鉄ヨーク３０の形状は、真空チャンバー２０を外側から覆うループ形状であればよく、略円環状の形状を所定程度蛇行させた形状、略多角形状であってもよい。

鉄ヨーク３０は、図２に示すように、径方向における断面形状が略コ字状となるよう凹部３５が形成されている。凹部３５には、後述する電磁石４０が収容される。

１－３．電磁石４０
電磁石４０は、例えば、一般的な電線コイルを用いることもできるが、冷却の観点で臨海温度が高いＭｇＢ_２を線材とするコイルを用いることが好ましい。

電磁石４０は、真空チャンバー２０を外側から覆うように巻回され、図２に示すように、鉄ヨーク３０に設けられる凹部３５内に収容されるように配置される。電磁石４０の形状は、鉄ヨーク３０の形状と同様に形成されることが好ましく、例えば、略円環状のものを用いることができる。また、鉄ヨーク３０と同様に、略円環状の形状を所定程度蛇行させた形状、略多角形状であってもよい。

１－４．電磁波供給源５０
電磁波供給源５０は、例えば、２．４５ＭＨｚ～２８ＭＨｚの高周波の電磁波を発振することができる一般的なものを使用することができる。

電磁波供給源５０から発振された電磁波は、導波管６０内を伝播して、真空チャンバー２０内へと供給される。

１－５．他の構成要素
以上のとおり説明した主要な構成要素の他に、ＥＣＲイオン源１には、真空チャンバー２０内に材料ガスを供給するガス導入管（図示せず）が設けられる。ガス導入管からは、例えば、メタンやヘリウム等の材料ガスが真空チャンバー２０内へと供給される。ガス導入管から供給される材料ガスが真空チャンバー２０内に供給されることで、材料ガス中の電子Ｐが真空チャンバー２０内で電離される。電離された電子Ｐは、後述するとおり加速される。

また、ＥＣＲイオン源１には、真空チャンバー２０内にて生成されるイオンを引き出すための引き出し電極７０が、真空チャンバー２０の出口１００付近に設けられる。これにより、ＥＣＲイオン源１を加速器（粒子線加速器）等に供することができる。

さらにまた、ＥＣＲイオン源１には、鉄ヨーク３０及び電磁石４０を冷却するための冷却手段（図示せず）を鉄ヨーク３０の外側に設けてもよい。

２．ＥＣＲイオン源１において形成される磁場
次に、一実施形態におけるＥＣＲイオン源１において、真空チャンバー２０内に形成される磁場について、図１乃至図３を参照しつつ説明する。図３は、図１に示されたＥＣＲイオン源１における鉄ヨーク３０及び電磁石４０近傍に形成される磁場を示す概略図である。

前述のとおり説明した電磁石４０に所定の大きさの電流が供給されると、真空チャンバー２０内に所定の強さの磁場が形成される。当該磁場は、鉄ヨーク３０によって磁束密度分布が成型される。つまり、鉄ヨーク３０の一方の端３０Ａの近傍の領域Ｒ１と、他方の端３０Ｂの近傍の領域Ｒ２において、磁束密度が大きくなる。他方、鉄ヨーク３０の一方の端３０Ａと他方の端３０Ｂとの間の領域Ｒ３における磁束密度は小さくなる。このような磁束密度の強弱は、鉄ヨーク３０（及び電磁石４０）のいずれの径方向から見た断面においても同じであり、換言すれば、周方向において一様に、磁束密度の強弱が形成されている（図１参照）。

このように、真空チャンバー２０内には、軸方向にみて領域Ｒ１及び領域Ｒ２のミラー磁場が形成される。

このように形成される磁場内に電子Ｐが生成されると（電離されると）、電子Ｐには当該磁場に起因するローレンツ力が作用する。これにより、電子Ｐは、軸方向の進行速度を有している場合においては、常に径方向のローレンツ力が作用することによって、結果として、真空チャンバー２０内を螺旋状に円運動（サイクロトロン運動）することとなる。

真空チャンバー２０内において生成された電子Ｐがミラー磁場内を進行する場合であって、当該電子Ｐの進行方向（この場合においては軸方向であって、図１においては紙面左方向）に対して磁場の強さ（磁束密度）が次第に弱くなる場合（図１においては、領域Ｒ２から領域Ｒ３に遷移する場合）においては、ミラー効果に基づいて、円運動する電子Ｐは、磁束に沿って磁束密度の弱い方に向かう力（つまり、領域Ｒ２からＲ３に向かう力であって、電子Ｐの進行方向のベクトルの力）を受けることとなる。これにより、電子Ｐは、領域Ｒ２からＲ３へと移動することができる。

逆に、電子Ｐの進行方向に対して磁場の強さ（磁束密度）が次第に強くなる場合（図１においては、領域Ｒ３から領域Ｒ１に遷移する場合）においては、ミラー効果に基づいて、円運動する電子Ｐは、磁束に沿って磁束密度の弱い方に向かう力（つまり、領域Ｒ１からＲ３に向かう力であって、電子Ｐの進行方向とは反対のベクトルの力）を受けることとなる。これにより、電子Ｐは、領域Ｒ３において閉じ込められることとなる。なお、領域Ｒ１、領域Ｒ２、及び領域Ｒ３は、鉄ヨーク３０及び電磁石４０の形状と同様の形状となる。したがって、例えば、鉄ヨーク３０及び電磁石４０が、ともに略円環状の形状である場合、領域Ｒ１、領域Ｒ２、及び領域Ｒ３も略円環状に各々平行に形成される（図１参照）。したがって、領域Ｒ３に閉じ込められる電子Ｐは、領域Ｒ３内で逃げ場を失うこととなる。なお、この現象は、鉄ヨーク３０及び電磁石４０がループ形状である限り同様に生じる。

他方、真空チャンバー２０内には、電磁波供給源５０から、電磁波が供給されるため、電子Ｐは、領域Ｒ１及びＲ２において、電子Ｐのサイクロトロン運動の周波数と電磁波の周波数が一致することにより、電子サイクロトロン共鳴現象によって加速され、サイクロトロン運動のエネルギーが維持される。

このようにして、電子Ｐが電子サイクロトロン共鳴現象によって高いエネルギーを持ち、またミラー効果によって領域Ｒ３に閉じ込められることにより、領域Ｒ３中の材料ガスを電離する。さらに、材料ガスから電離した別の電子Ｐが、同様の運動を始めることによって、領域Ｒ３中の材料ガスをさらに電離させることで、領域Ｒ３においてプラズマ状態が形成される。

前述のとおり、一実施形態に係るＥＣＲイオン源１においては、径方向における断面形状が略コ字状となるよう凹部３５が形成される鉄ヨーク３０と、当該凹部３５内に収容される電磁石４０とを組み合わせた簡便な構成とすることで、真空チャンバー２０内に効率的にミラー磁場を形成することができる。これにより、ＥＣＲイオン源１を小型化することが可能となる。

以上、様々な実施形態を例示したが、上記実施形態はあくまで一例であって、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態は、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、置換、変更を行うことができる。また、各構成や、形状、大きさ、長さ、幅、厚さ、高さ、数等は適宜変更して実施することができる。

１ ＥＣＲイオン源
２０ 真空チャンバー
３０ 鉄ヨーク
３５ 凹部
４０ 電磁石
５０ 電磁波供給源
Ｐ 電子

Claims (3)

1. 真空チャンバーと、
   前記真空チャンバーを外側から覆い、径方向における断面形状が略コ字状となるよう凹部が形成される鉄ヨークと
   前記真空チャンバーを外側から覆い、前記鉄ヨークの前記凹部内に収容される電磁石と、
   前記真空チャンバー内に電磁波を供給する電磁波供給源と、
   を具備し、
   前記真空チャンバー内の電子を、前記電磁波で加速させることでイオンを生成するＥＣＲイオン源。
2. 前記電磁石は、超電導線材によって形成される、請求項１に記載のＥＣＲイオン源。
3. 前記鉄ヨーク及び前記電磁石は、略円環状である、請求項１又は２に記載のＥＣＲイオン源。

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