JP2024058747A - Charged particle beam transport device, method for manufacturing the charged particle beam transport device, and method for neutralizing a charged particle beam - Google Patents
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Abstract
【課題】空間電荷によるビーム発散の低減及びビーム中性化による損失の低減を両立することが可能な荷電粒子ビーム輸送装置、荷電粒子ビーム輸送装置の製造方法、及び荷電粒子ビームの中和方法を提供する。【解決手段】荷電粒子ビーム輸送装置20は、荷電粒子ビーム1の収束部に向かって内径が小さくなるコリメータ13a,13bと、コリメータ13a,13bで囲まれた空間に向けて空間電荷を中和する空間電荷中和剤を注入する注入口9b1,9b2,9b3,9b4と、を備える。【選択図】 図1[Problem] To provide a charged particle beam transport device capable of reducing beam divergence due to space charge and loss due to beam neutralization at the same time, a method for manufacturing the charged particle beam transport device, and a method for neutralizing a charged particle beam. [Solution] A charged particle beam transport device 20 includes collimators 13a, 13b whose inner diameter decreases toward the convergence part of a charged particle beam 1, and injection ports 9b1, 9b2, 9b3, 9b4 for injecting a space charge neutralizing agent that neutralizes space charge toward the space surrounded by the collimators 13a, 13b. [Selected Figure] Figure 1
Description
本発明は、荷電粒子ビーム輸送装置、荷電粒子ビーム輸送装置の製造方法、及び荷電粒子ビームの中和方法に関する。 The present invention relates to a charged particle beam transport device, a method for manufacturing a charged particle beam transport device, and a method for neutralizing a charged particle beam.
荷電粒子ビームの空間電荷効果によるビーム発散を低減させる技術が特許文献1に記載されている。この特許文献1には、「イオンビームを電子ビームの軌道領域に照射することで、電子ビームにより形成される空間電荷を中和し、空間電荷効果を低減することを特徴とする電子ビーム装置。」及び「イオン発生手段は、電子ビームの軌道に沿った該電子ビームの電流密度の大小に応じてイオンビーム密度を変えることを特徴とする」と記載されている。
特許文献1には、電子ビームの電流密度の大小に応じてイオンビームの照射位置を調整することで、空間電荷効果を効率良く低減することを目的とした装置が記載されている。
しかし、特許文献1に記載されている装置では、照射位置のみを調整しており、照射した中和剤が空間的に広がるため、電流密度が高いビーム収束部における中和剤であるイオンの濃度を十分に高くすることができない、との課題がある。この影響は、中和剤として中性ガスを用いる場合に特に顕著となる。また、特許文献1に記載の装置では、ビーム径方向の電流密度のばらつきにより生じる空間電荷分布に応じた空間電荷中和ができない、との課題がある。
However, the device described in
上記の要因により、空間電荷の高い部分では空間電荷の中和度が不足してビームが発散してビーム損失につながる。一方の空間電荷が低い部分ではビームと中和剤との反応によるビーム中性化が過剰となり、同様にビーム損失につながる。 Due to the above factors, in areas with high space charge, the degree of space charge neutralization is insufficient, causing the beam to diverge and leading to beam loss. On the other hand, in areas with low space charge, the beam is excessively neutralized due to the reaction between the beam and the neutralizing agent, which also leads to beam loss.
本発明は、空間電荷によるビーム発散の低減及びビーム中性化による損失の低減を両立することが可能な荷電粒子ビーム輸送装置、荷電粒子ビーム輸送装置の製造方法、及び荷電粒子ビームの中和方法を提供する。 The present invention provides a charged particle beam transport device that can simultaneously reduce beam divergence due to space charge and reduce losses due to beam neutralization, a method for manufacturing a charged particle beam transport device, and a method for neutralizing a charged particle beam.
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、荷電粒子ビーム輸送装置であって、荷電粒子ビームの収束部に向かって内径が小さくなる収束構造物と、前記収束構造物で囲まれた空間に向けて空間電荷を中和する空間電荷中和剤を注入する注入口と、空間電荷中和剤の注入量を制御する制御装置と、を備える。 The present invention includes multiple means for solving the above problems, and one example is a charged particle beam transport device that includes a focusing structure whose inner diameter decreases toward the focusing part of the charged particle beam, an injection port for injecting a space charge neutralizing agent that neutralizes space charge toward the space surrounded by the focusing structure, and a control device that controls the amount of space charge neutralizing agent injected.
本発明によれば、空間電荷によるビーム発散の低減及びビーム中性化による損失の低減を両立することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。 The present invention can reduce both beam divergence due to space charge and losses due to beam neutralization. Problems, configurations, and effects other than those described above will become clear from the description of the embodiments below.
以下に本発明の荷電粒子ビーム輸送装置、荷電粒子ビーム輸送装置の製造方法、及び荷電粒子ビームの中和方法の実施形態を、図面を用いて説明する。なお、本明細書で用いる図面において、同一のまたは対応する構成要素には同一、または類似の符号を付け、これらの構成要素については繰り返しの説明を省略する場合がある。 Below, embodiments of the charged particle beam transport device, the manufacturing method of the charged particle beam transport device, and the neutralization method of the charged particle beam of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that in the drawings used in this specification, identical or corresponding components are given the same or similar reference numerals, and repeated explanations of these components may be omitted.
<第1実施形態>
本発明の荷電粒子ビーム輸送装置、荷電粒子ビーム輸送装置の製造方法、及び荷電粒子ビームの中和方法の第1実施形態について図1及び図2を用いて説明する。
First Embodiment
A first embodiment of a charged particle beam transport apparatus, a method for manufacturing the charged particle beam transport apparatus, and a method for neutralizing a charged particle beam according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG.
最初に、荷電粒子ビーム輸送装置を含めた線形加速器30の全体構成について図1を用いて説明する。図1は、第1実施形態に係る荷電粒子ビーム輸送装置を含めた線形加速器の構成概略図である。
First, the overall configuration of the
図1に示される荷電粒子ビーム輸送装置20は、イオン源などで構成された荷電粒子ビーム生成装置4で生成された荷電粒子ビーム1を後段加速器5に入射するための装置であり、真空チャンバ2、収束コイル3a,3b、中和剤貯留器7、注入量制御装置8、注入口9a,9b、真空計10、ビーム分布計11、ビーム電流計12、コリメータ13a,13b、真空排気ポンプ14で構成される。
The charged particle
このような荷電粒子ビーム輸送装置20を製造する際には、少なくとも、荷電粒子ビーム1の収束部に向かって内径が小さくなるコリメータ13a,13bを設けるステップ、コリメータ13a,13bで囲まれた空間に向けて空間電荷を中和する空間電荷中和剤を注入する注入口9a,9bを設けるステップを実行する。
When manufacturing such a charged particle
ここで荷電粒子ビーム生成装置4は、荷電粒子ビーム1を生成する装置であり、その種類は、例えば、マイクロ波イオン源、ECR(Electron Cyclotron Resonance)イオン源、デュオプラズマトロン、電子銃などがあり、いずれかの装置とすることができる。本実施形態では、マイクロ波イオン源を採用した線形加速器の構成を例に説明する。
Here, the charged particle beam generating device 4 is a device that generates the
荷電粒子ビーム生成装置4内でマイクロ波により生成されたプラズマは、引き出し電極6との電位差によって引き出されて、荷電粒子ビーム1が生成される。
The plasma generated by microwaves in the charged particle beam generator 4 is extracted by the potential difference with the
荷電粒子ビーム1は、真空チャンバ2内で収束コイル3a,3bにより収束されて、後段加速器5に入射される。ここで収束コイル3a,3bは、磁性体を用いた磁極を備えることができる。
The
後段加速器5とは、例えば高周波加速器などであり、RFQ(Radio Frequency Quadrupole)やDTL(Drift Tube Linac)などがあり、単体あるいは両方を用いることができる。あるいは、コッククロフトウォルトン型やバンデグラーフ型などの静電加速器とすることもできる。
The
荷電粒子ビーム生成装置4から真空チャンバ2に入射された荷電粒子ビーム1は、収束コイル3a,3bで収束して後段加速器5に入射可能な形状に調整される。この際に、荷電粒子ビーム1を構成する荷電粒子同士のクーロン反発、つまり空間電荷効果により発散が起こるため、ビーム電流値が大きくなると収束コイル3a,3bによる収束力を上回る発散力が生じる。
The
空間電荷を中和する方法は、荷電粒子ビーム1の通過領域に中性ガスやプラズマを注入する方法が考えられる。中性ガスを注入した場合は、荷電粒子ビーム1が中性ガスに衝突することで、中性ガスが電離して電子が放出される。荷電粒子ビーム1が正の電荷を持っている場合、電離により放出された電子は荷電粒子ビーム1との間のクーロン力によりビーム軌道上に引き寄せられる。一方の電離したガスは、荷電粒子ビーム1との間のクーロン力による反発によりビーム軌道上から引き離される。上記の作用により、荷電粒子ビーム1と逆の電荷を持ったイオンが軌道上に蓄積することで空間電荷が中和される。プラズマを注入した場合も同様の作用で空間電荷が中和される。本実施形態では、中和剤に中性ガスを用いた例で説明するが、プラズマを注入する場合も中性ガスを導入する場合と詳細は同じであるため、説明は省略する。
A method of neutralizing the space charge is to inject a neutral gas or plasma into the area through which the
中和剤が不足している場合は、空間電荷の中和不足で荷電粒子ビーム1が発散する。一方で、空間電荷の中和剤が過剰な場合は、荷電粒子ビーム1中の荷電粒子と逆符号のイオンとが結合することで、ビーム中性化による荷電粒子ビーム1の損失が大きくなる。そのため、荷電粒子ビーム輸送装置では、荷電粒子ビーム1の損失率を最小限に留めつつ、後段加速器5の入射条件で許容されるレベルまで空間電荷効果によるビーム発散を抑制する必要がある。
When there is a shortage of neutralizing agent, the
そこで、本実施形態の荷電粒子ビーム輸送装置20では、空間電荷が他の部分に比べて高くなる収束部の中和剤濃度を高くすることとする。ここで、「収束部」とは、荷電粒子ビーム輸送装置20内への荷電粒子ビーム1の入口側である「荷電粒子ビーム生成装置4と荷電粒子ビーム輸送装置20との接続部分」、及び/又は出口側である「荷電粒子ビーム輸送装置20と後段加速器5の接続部分」のことである。
Therefore, in the charged particle
この第1実施形態では、空間電荷中和剤としての中性ガスの注入量を制御する注入量制御装置8で中和剤貯留器7に貯留されている中性ガスの注入量を調整しながら注入口9a,9bから注入することで、特に空間電荷の高くなる荷電粒子ビーム1の入口側及び/又は出口側での空間電荷の中和を実施する。
In this first embodiment, the injection amount of the neutral gas stored in the neutralizing
更に、本実施形態では、荷電粒子ビーム1の発散・収束軌道によって生じる空間電荷の分布に応じた中和剤分布を生成するために、発散・収束軌道に合わせたテーパ形状のコリメータ13a,13bを設ける。
Furthermore, in this embodiment, in order to generate a neutralizing agent distribution corresponding to the distribution of space charge caused by the diverging and converging trajectories of the
コリメータ13a,13bは、荷電粒子ビーム1の収束部に向かって内径が小さくなる構造物である。コリメータ13bは、荷電粒子ビーム1の出口側に設けられており、出口に向かって内径が小さくなっている構造物である。これに対し、コリメータ13aは、荷電粒子ビーム1の入口側に設けられており、入口に向かって内径が小さくなっている構造物である。
注入口9aはコリメータ13aで囲まれた空間に向けて、注入口9bはコリメータ13bで囲まれた空間に向けて空間電荷を中和する、空間電荷中和剤を注入する開口部であり、コリメータ13a,13bの内径が小さくなるにつれて中和剤濃度を高くすることができる。これにより、荷電粒子ビーム1が収束して空間電荷が高くなる領域の空間電荷中和率を高くすることができる。
The
中和剤の注入量やコリメータ13a,13bの形状は、ビームシミュレーション及びガス分布シミュレーションを基に予め決定する。ここで、ビームシミュレーションでは、PIC(Particle In Cell)法などにより空間電荷効果を考慮したビーム軌道計算を用いる。またガス分布シミュレーションでは、中和剤に用いる中性ガスの平均自由工程が十分に長いと考えて、分子流として計算するシミュレータを用いてガス分布を計算する。
The amount of neutralizing agent injected and the shapes of the
なお、コリメータ13a,13bの輸送方向の長さは、ビームの設計軌道に依存しており、図1に示すように出口側のコリメータ13bが入口側のコリメータ13aより必ず長いとは限られない。
The length of the
先述したように、荷電粒子ビーム輸送装置20では、荷電粒子ビーム1の形状が後段加速器5の許容値に収まるように、空間電荷効果によるビーム発散を抑制する必要がある。
As mentioned above, in the charged particle
そこで、ビームシミュレーションを基に荷電粒子ビーム1の軌道上の各空間位置における空間電荷量を評価して、各空間位置における必要な空間電荷中和率を決定する。またガス分布シミュレーションを用いて、コリメータ13a,13bの形状に対する中性ガス分布を評価することで、中性ガス分布が上記のビームシミュレーションで評価した空間電荷分布により近づくようにコリメータ13a,13bを決定する。
Therefore, the amount of space charge at each spatial position on the orbit of the charged
更に、ビームシミュレーションにより、必要な空間電荷中和率が達成された条件のビーム分布を予め計算しておいて、ビーム分布計11で計測した実測のビーム分布が計算値に近づくように中性ガスの注入量を決定する。
Furthermore, the beam distribution under the conditions where the required space charge neutralization rate is achieved is calculated in advance by beam simulation, and the amount of neutral gas injected is determined so that the actual beam distribution measured by the
より具体的には、注入量制御装置8により、荷電粒子ビーム1の分布を測定するビーム分布計11による測定結果に基づいて、輸送方向の断面のビーム分布が所望の形状となるように、ビーム分布が第1所定範囲より狭いと判定されたときは空間電荷中和剤の注入量を判定タイミングに比べて減らして、ビーム分布が第1所定範囲に比べて広い第2所定範囲より広いと判定されたときは空間電荷中和剤の注入量を判定タイミングに比べて増やすように空間電荷中和剤の注入量を調整することができる。
More specifically, the injection
ビーム分布計11は、ビーム軌道上で生じた電磁波や荷電粒子ビーム1により励起される電極の電位を計測するような非接触の計測器、またはファラデーカップやワイヤーチャンバなどの接触型の計測器のどちらを用いても良い。
The
ここで、実際の運用では、荷電粒子ビーム1の電流量の時間変化や、真空チャンバ2に設置された真空排気ポンプ14の排気速度の変化により、必要な中和剤の注入量が変化する可能性が非常に高い。
In actual operation, the amount of neutralizing agent required to be injected is highly likely to change due to changes in the current amount of the charged
そのため、注入量制御装置8は、ビーム分布計11による測定結果に加えて、あるいは換えて荷電粒子ビーム1の電流を測定するビーム電流計12によるビーム電流値の測定結果(総電流量の増減)に基づいて空間電荷中和剤の流量を調整することができる。更には、荷電粒子ビーム輸送装置20内の真空度を測定する真空計10による真空度の測定結果(真空排気速度の変化による中和剤の濃度の変化)に基づいて空間電荷中和剤の流量を調整することができる。
Therefore, the injection
例えば、ビーム電流値が第1所定値より小さい、あるいは第1所定値より大きい第2所定値より大きいと判定されたときは空間電荷中和剤の注入量を減らすように、更には、真空度が第3所定値より低い、あるいは第4所定値より高いと判定されたときは空間電荷中和剤の注入量を減らすように空間電荷中和剤の注入量を調整することができる。 For example, the amount of space charge neutralizer injected can be adjusted to reduce the amount of space charge neutralizer injected when it is determined that the beam current value is smaller than a first predetermined value or larger than a second predetermined value that is larger than the first predetermined value, and further, the amount of space charge neutralizer injected can be adjusted to reduce the amount of space charge neutralizer injected when it is determined that the degree of vacuum is lower than a third predetermined value or higher than a fourth predetermined value.
ビーム電流計12は、非接触型のCT(Current Transformer)などが用いられる。真空計10は様々な公知の構成とすることができる。
The beam
ビーム電流計12や真空計10の計測結果に基づいた制御で中和剤の注入量を調整する場合でも、最終的にはビーム分布計11で計測したビーム分布が目標分布となるように注入量を調整することが望ましい(図2参照)。
Even when adjusting the amount of neutralizing agent injected using control based on the measurement results of the
また、荷電粒子ビーム輸送装置20内を真空排気する真空排気ポンプ14は、入口側のコリメータ13aと出口側のコリメータ13aとの中間部分、すなわち等距離部分やその周囲に設けて、注入口9a,9bから距離をとることが望ましい。
In addition, it is desirable to provide the
次に、本実施形態に係る荷電粒子ビーム1の中和方法について図2を参照して説明する。図2は本実施形態における中和剤の注入量制御フローチャートである。
Next, the method for neutralizing the charged
まず、注入量制御装置8は、前述のように真空計10で計測した真空度、及びビーム電流計12で計測したビーム電流に基づいて中和剤注入量を演算する(ステップS101)。
First, the injection
次いで、注入量制御装置8は、ステップS101で取得したビーム電流及び真空度が、予め設定された許容範囲内に収まっているか否かを判定する(ステップS102)。
Next, the implantation
ステップS102において許容範囲内ではないと判定された場合はステップS103に進み、注入量制御装置8は、ビーム電流及び真空度に対して予め設定された注入量になるように中和剤の注入量を調整する(ステップS103)。その後は処理をステップS101に戻し、注入の効果を確認する。
If it is determined in step S102 that the amount is not within the allowable range, the process proceeds to step S103, where the injection
これに対し、ステップS102において許容範囲内であると判定された場合は、注入量制御装置8は注入された中和剤の真空チャンバ2内での分布が安定するまで一定時間待機する(ステップS104)。
In contrast, if it is determined in step S102 that the amount is within the acceptable range, the injection
次に、ビーム分布計11でビーム分布を測定する(ステップS105)。 Next, the beam distribution is measured using the beam distribution meter 11 (step S105).
その後、注入量制御装置8は、ステップS105で測定したビーム分布と目標ビーム分布との差が許容範囲内に収まっているか否かを判定する(ステップS106)。
Then, the injection
ステップS106において、許容範囲内ではないと判定された場合はステップS107に進み、注入量制御装置8は、測定したビーム分布を目標分布と比較して、ビーム発散が大きい場合は注入量を増やし、ビーム発散が小さい場合はビーム損失を考慮して注入量を減らすように、予め設定された注入量に制御する(ステップS107)。その後、処理をステップS105に戻し、注入の効果を確認する。
If it is determined in step S106 that the measured beam distribution is not within the acceptable range, the process proceeds to step S107, where the injection
これに対し、ステップS106において許容範囲内であると判定された場合は中和剤の注入量制御を終了する。 In contrast, if it is determined in step S106 that the amount is within the acceptable range, control of the injection amount of neutralizing agent is terminated.
なお、図2における各ステップでは、最低限ビーム分布を整えることが望ましいことから、ステップS101乃至ステップS104は省略してステップS105乃至ステップS107の処理のみを実行する形態としてもよいが、図2のようにいずれも実行することが望ましい。 In each step in FIG. 2, since it is desirable to adjust the beam distribution at a minimum, steps S101 to S104 may be omitted and only steps S105 to S107 may be executed, but it is desirable to execute all of them as shown in FIG. 2.
この図2のフローは、荷電粒子ビーム1の生成中に所定間隔ごとに実行することが望ましい。
It is desirable to execute the flow in FIG. 2 at predetermined intervals during the generation of the charged
次に、本実施形態の効果について説明する。 Next, we will explain the effects of this embodiment.
上述した本発明の第1実施形態の荷電粒子ビーム輸送装置20は、荷電粒子ビーム1の収束部に向かって内径が小さくなるコリメータ13a,13bと、コリメータ13a,13bで囲まれた空間に向けて空間電荷を中和する空間電荷中和剤を注入する注入口9a,9bと、を備え、収束部の中和剤濃度を高くする。
The charged particle
これによって、荷電粒子ビームの発散・収束軌道に伴うビーム軌道方向の空間電荷分布及び荷電粒子ビームの電荷分布に伴うビーム軌道に対する周方向の空間電荷分布に応じて、空間電荷中和の過不足を低減するように空間電荷中和剤の注入量を調整することができ、従来に比べて荷電粒子ビームの発散及びビーム中性化による損失を低減することができる。 This makes it possible to adjust the amount of space charge neutralizer injected to reduce excess or deficiency in space charge neutralization according to the space charge distribution in the beam orbit direction associated with the diverging/converging orbit of the charged particle beam and the space charge distribution in the circumferential direction relative to the beam orbit associated with the charge distribution of the charged particle beam, thereby reducing losses due to divergence of the charged particle beam and beam neutralization compared to conventional methods.
このような荷電粒子ビーム輸送装置20は、好適には線形加速器用として好適であり、核融合発電炉におけるイオン供給源、中性子捕捉療法(BNCT:Boron Neutron Capture Therapy)、あるいはシンクロトン型加速器を用いる粒子線治療装置に適用可能である。
Such a charged particle
また、コリメータ13bは、荷電粒子ビーム1の出口側に設けられ、出口に向かって内径が小さくなるため、後段の後段加速器5に向けて収束している部分の荷電粒子ビーム1の中和率をより効果的に高めることができる。
In addition, the
更に、コリメータ13aは、更に、荷電粒子ビーム1の入口側に設けられ、入口に向かって内径が小さくなることで、入口側の荷電粒子ビーム生成装置4から引き出された収束している部分の荷電粒子ビーム1の中和率をより高めることができる。
Furthermore, the
また、コリメータ13a,13bは、テーパ形状であることにより、導入された空間電荷中和剤がテーパの表面に沿ってより収束がきつくなる出口側や入口側によりスムーズに導入されることから、より効果的な中和を実現することができる。
In addition, because
更に、荷電粒子ビーム1の分布を測定するビーム分布計11と、空間電荷中和剤の注入量を制御する注入量制御装置8と、を更に備え、注入量制御装置8は、輸送方向の断面のビーム分布が所望の形状となるように空間電荷中和剤の注入量を調整する、特にビーム分布が第1所定範囲より狭いと判定されたときは空間電荷中和剤の注入量を判定されたタイミングより減らして、ビーム分布が第1所定範囲に比べて広い第2所定範囲より広いと判定されたときは空間電荷中和剤の注入量を判定されたタイミングより増やすことにより、荷電粒子ビーム1を後段加速器5により適したビーム形状に調整することができる。
The system further includes a
また、荷電粒子ビーム輸送装置20内を真空排気する真空排気ポンプ14を、入口側のコリメータ13aと出口側のコリメータ13bとの中間部分に設けることで、導入される空間電荷中和剤が早期に真空排気されて、導入量が想定からずれることを確実に避けることができる。
In addition, by providing a
更に、荷電粒子ビーム1の電流を測定するビーム電流計12と、空間電荷中和剤の注入量を制御する注入量制御装置8と、を更に備え、注入量制御装置8は、ビーム電流計12によるビーム電流値の測定結果に基づいて空間電荷中和剤の流量を調整すること、あるいは荷電粒子ビーム輸送装置20内の真空度を測定する真空計10と、空間電荷中和剤の注入量を制御する注入量制御装置8と、を更に備え、注入量制御装置8は、真空計10による真空度の測定結果に基づいて空間電荷中和剤の流量を調整することで、更に荷電粒子ビーム1の状態に適した空間電荷中和剤の注入を実現することができる。
Furthermore, the device is further provided with a
なお、本実施形態では、ビーム分布計11やビーム電流計12、真空計10により計測した結果に基づいて空間電荷中和剤の注入量を調整する形態について示したが、予めシミュレーションで求めた結果に応じて、測定系無しで制御する形態とすることができる。
In this embodiment, the amount of space charge neutralizer injected is adjusted based on the results measured by the
<第2実施形態>
本発明の第2実施形態の荷電粒子ビーム輸送装置、荷電粒子ビーム輸送装置の製造方法、及び荷電粒子ビームの中和方法について図3乃至図5を用いて説明する。第1実施形態と同じ構成には同一の符号を示し、説明は省略する。以下の実施形態においても同様とする。図3乃至図5は、第2実施形態に係る荷電粒子ビーム輸送装置の空間電荷中和剤の注入口及びビーム分布計の配置を表した概略図である。
Second Embodiment
A charged particle beam transport apparatus, a manufacturing method thereof, and a method for neutralizing a charged particle beam according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to Figs. 3 to 5. The same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and a description thereof will be omitted. The same applies to the following embodiments. Figs. 3 to 5 are schematic diagrams showing the arrangement of an injection port for a space charge neutralizing agent and a beam distribution meter in the charged particle beam transport apparatus according to the second embodiment.
図3に示す本実施形態では、注入口9b1,9b2,9b3,9b4を複数備えるものとし、荷電粒子ビーム1のビーム軸に垂直面内の空間電荷分布に応じて、注入量制御装置8によりビーム側方に複数配置した注入口9b1,9b2,9b3,9b4の位置ごとの注入量をそれぞれ独立に制御する。
In the present embodiment shown in FIG. 3, multiple injection ports 9b1, 9b2, 9b3, and 9b4 are provided, and the injection
実際に荷電粒子ビーム1を輸送する際、荷電粒子ビーム1の状態によってビーム電流分布に偏りが生じることで、ビーム軸に垂直面内で非対称な空間電荷分布が生じることがある。そこで、注入量制御装置8Aは注入口9b1,9b2,9b3,9b4の位置に応じて注入量比をそれぞれ独立して制御することで、非対称な空間電荷分布に対応した空間電荷中和を実施することができる。
When the charged
図3では、荷電粒子ビーム1の側方に90度ごとに対称な位置に4つのビーム分布計11a,11b,11c,11dと4つの中和剤の注入口9b1,9b2,9b3,9b4を配置した例を用いて説明する。
In Figure 3, an example is described in which four
この際に、ビーム分布計11a,11b,11c,11dや注入口9b1,9b2,9b3,9b4は必ずしも同一面内に配置する必要はない。それぞれ4つのビーム分布計11a,11b,11c,11d及び注入口9b1,9b2,9b3,9b4は、注入量制御装置8Aに接続されており、ビーム分布計11で計測したビーム分布に基づいて、ビーム発散の大きい側の注入口9b1,9b2,9b3,9b4からの中和剤の注入量比を増加するように注入量を制御する。
In this case, the
例えば、ビーム分布計11a,11cで計測したビーム分布から評価したビーム発散量に基づいて、垂直方向の注入口9b2,9b4の注入総量を維持しつつ注入量比を調整する。同様に他の方向についても、注入量の総量を維持しつつ発散の大きい方向からの中和剤注入量比を増加させる。
For example, the injection amount ratio is adjusted while maintaining the total injection amount of the vertical injection ports 9b2 and 9b4 based on the amount of beam divergence evaluated from the beam distribution measured by the
本実施形態では、図4のように対抗する一対の注入口9b1,9b2,9b3,9b4に対して、それらを結んだ直線の垂直方向に一つだけビーム分布計11a,11dを設置し、注入量制御装置8Bにより注入口9b1,9b2,9b3,9b4からの空間電荷中和剤の注入量を調整する構成でも良い。つまり、図3に対して半分のビーム分布計11の個数でも本実施形態は成立する。また対抗する注入口9b1,9b2,9b3,9b4及びビーム分布計11a,11dを図3や図4よりも多い構成としても良い。
In this embodiment, as shown in FIG. 4, a single
また図5のように、ビーム分布計11a1,11b1,11c1,11d1を接触タイプの検出器として、注入量制御装置8Cにより注入口9b1,9b2,9b3,9b4からの空間電荷中和剤の注入量を調整する構成としても良い。接触タイプのビーム分布計11a1,11b1,11c1,11d1の場合、荷電粒子ビーム1が発散したビームハロー部15がどの領域まで広がっているかを測定して、そのビームハロー部15の発散領域に応じて対抗するビーム分布計11a1,11b1,11c1,11d1と同じ軸方向の注入口9b1,9b2,9b3,9b4の注入量比を調整する。
Also, as shown in FIG. 5, the beam distribution meters 11a1, 11b1, 11c1, and 11d1 may be contact type detectors, and the injection amount control device 8C may adjust the injection amount of the space charge neutralizer from the injection ports 9b1, 9b2, 9b3, and 9b4. In the case of the contact type beam distribution meters 11a1, 11b1, 11c1, and 11d1, the area to which the
その他の構成・動作は前述した第1実施形態の荷電粒子ビーム輸送装置、荷電粒子ビーム輸送装置の製造方法、及び荷電粒子ビームの中和方法と略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。 The rest of the configuration and operation are substantially the same as those of the charged particle beam transport device, the method for manufacturing the charged particle beam transport device, and the method for neutralizing a charged particle beam of the first embodiment described above, and details are omitted.
本発明の第2実施形態の荷電粒子ビーム輸送装置、荷電粒子ビーム輸送装置の製造方法、及び荷電粒子ビームの中和方法においても、前述した第1実施形態の荷電粒子ビーム輸送装置、荷電粒子ビーム輸送装置の製造方法、及び荷電粒子ビームの中和方法とほぼ同様な効果が得られる。 The charged particle beam transport device, the manufacturing method of the charged particle beam transport device, and the neutralization method of the charged particle beam of the second embodiment of the present invention also provide substantially the same effects as the charged particle beam transport device, the manufacturing method of the charged particle beam transport device, and the neutralization method of the charged particle beam of the first embodiment described above.
また、注入量制御装置8Aは注入口9b1,9b2,9b3,9b4の位置に応じて注入量比をそれぞれ独立して制御することで、ビームに偏りが生じた際にも、偏りを修正するためのより適切な空間電荷中和剤の注入を実現することができる。
In addition, the injection
<第3実施形態>
本発明の第3実施形態の荷電粒子ビーム輸送装置、荷電粒子ビーム輸送装置の製造方法、及び荷電粒子ビームの中和方法について図6および図7を用いて説明する。図6および図7は第3実施形態に係る荷電粒子ビーム輸送装置のコリメータの例を表した構成概略図である。
Third Embodiment
A charged particle beam transport apparatus, a manufacturing method thereof, and a method for neutralizing a charged particle beam according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to Fig. 6 and Fig. 7. Fig. 6 and Fig. 7 are schematic diagrams showing an example of a collimator of the charged particle beam transport apparatus according to the third embodiment.
図6に示すように、実施形態1のコリメータ13bの替わりに、荷電粒子ビーム1の収束軌道に合わせて径が小さくなるような階段状の構造を持つコリメータ16を用いた形態である。このようなコリメータ16の内部に注入口9bを向けて中和剤を注入することで、空間電荷の高い荷電粒子ビーム1の収束部における中和剤の濃度を高めることができる。なお、入口側についても、同様に階段状の構造とすることができるが、入口側と出口側とで同じ構造である必要は無い。
As shown in FIG. 6, instead of the
図7においても、図6と同様に、荷電粒子ビーム1の収束軌道に合わせて、内径が小さくなるコリメータ17を設けることで、空間電荷の高い荷電粒子ビーム1の収束部における中和剤の濃度を高めることができる。図7においても、入口側を階段状の構造とすることができるし、同じ構造である必要はない。しかし、図6のような細かい段差や図1のような滑らかなテーパ構造に近い階段状の構造の方が、中和剤の濃度分布が滑らかに変化するので、空間電荷中和の効率をより高くすることができる。
In FIG. 7, as in FIG. 6, a
本実施形態においても構造物の設計や空間電荷の中和剤注入量は、実施形態1と同様に決めることができる。また中和剤の注入量制御についても同様に図2の制御フローに従って制御する。
In this embodiment, the design of the structure and the amount of neutralizing agent injected into the space charge can be determined in the same manner as in
その他の構成・動作は前述した第1実施形態の荷電粒子ビーム輸送装置、荷電粒子ビーム輸送装置の製造方法、及び荷電粒子ビームの中和方法と略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。 The rest of the configuration and operation are substantially the same as those of the charged particle beam transport device, the method for manufacturing the charged particle beam transport device, and the method for neutralizing a charged particle beam of the first embodiment described above, and details are omitted.
本発明の第3実施形態の荷電粒子ビーム輸送装置、荷電粒子ビーム輸送装置の製造方法、及び荷電粒子ビームの中和方法においても、前述した第1実施形態の荷電粒子ビーム輸送装置、荷電粒子ビーム輸送装置の製造方法、及び荷電粒子ビームの中和方法とほぼ同様な効果が得られる。 The charged particle beam transport device, the manufacturing method of the charged particle beam transport device, and the neutralization method of the charged particle beam of the third embodiment of the present invention also provide substantially the same effects as the charged particle beam transport device, the manufacturing method of the charged particle beam transport device, and the neutralization method of the charged particle beam of the first embodiment described above.
<その他>
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記の実施形態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るものではない。
<Other>
The present invention is not limited to the above-described embodiment, but includes various modified examples. The above-described embodiment has been described in detail to clearly explain the present invention, and the present invention is not necessarily limited to the embodiment having all of the described configurations.
また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。 It is also possible to replace part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. It is also possible to add, delete, or replace part of the configuration of each embodiment with the configuration of another embodiment.
本発明実施形態は以下の態様であってもよい。 The present invention may take the following forms:
(1)荷電粒子ビームの収束部に向かって内径が小さくなる収束構造物と、前記収束構造物で囲まれた空間に向けて空間電荷を中和する空間電荷中和剤を注入する注入口と、を備える荷電粒子ビーム輸送装置。 (1) A charged particle beam transport device comprising a focusing structure whose inner diameter decreases toward the focusing part of the charged particle beam, and an injection port for injecting a space charge neutralizing agent that neutralizes space charge toward the space surrounded by the focusing structure.
(2)(1)記載の荷電粒子ビーム輸送装置において、前記収束構造物は、前記荷電粒子ビーム輸送装置での前記荷電粒子ビームの出口側に設けられ、前記出口に向かって内径が小さくなる。 (2) In the charged particle beam transport device described in (1), the focusing structure is provided on the outlet side of the charged particle beam in the charged particle beam transport device, and the inner diameter becomes smaller toward the outlet.
(3)(1)または(2)記載の荷電粒子ビーム輸送装置において、前記収束構造物は、更に、前記荷電粒子ビーム輸送装置での前記荷電粒子ビームの入口側に設けられ、前記入口に向かって内径が小さくなる。 (3) In the charged particle beam transport device described in (1) or (2), the focusing structure is further provided on the entrance side of the charged particle beam in the charged particle beam transport device, and the inner diameter becomes smaller toward the entrance.
(4)(1)乃至(3)のいずれかに記載の荷電粒子ビーム輸送装置において、前記収束構造物は、テーパ形状である。 (4) In the charged particle beam transport device described in any one of (1) to (3), the focusing structure has a tapered shape.
(5)(1)乃至(4)のいずれかに記載の荷電粒子ビーム輸送装置において、前記荷電粒子ビームの分布を測定する分布測定器と、前記空間電荷中和剤の注入量を制御する制御装置と、を更に備え、前記制御装置は、輸送方向の断面のビーム分布が所望の形状となるように前記空間電荷中和剤の注入量を調整する。 (5) The charged particle beam transport device according to any one of (1) to (4) further includes a distribution measuring device for measuring the distribution of the charged particle beam and a control device for controlling the injection amount of the space charge neutralizer, and the control device adjusts the injection amount of the space charge neutralizer so that the beam distribution in the cross section in the transport direction has a desired shape.
(6)(5)に記載の荷電粒子ビーム輸送装置において、前記制御装置は、前記ビーム分布が第1所定範囲より狭いと判定されたときは前記空間電荷中和剤の注入量を判定されたタイミングより減らして、前記ビーム分布が前記第1所定範囲に比べて広い第2所定範囲より広いと判定されたときは前記空間電荷中和剤の注入量を判定されたタイミングより増やす。 (6) In the charged particle beam transport device described in (5), the control device reduces the injection amount of the space charge neutralizer from the determined timing when it is determined that the beam distribution is narrower than a first predetermined range, and increases the injection amount of the space charge neutralizer from the determined timing when it is determined that the beam distribution is wider than a second predetermined range that is wider than the first predetermined range.
(7)(1)乃至(6)のいずれかに記載の荷電粒子ビーム輸送装置において、前記収束構造物は、前記荷電粒子ビームの入口側および出口側に設けられ、前記荷電粒子ビーム輸送装置内を真空排気する真空排気部を、前記入口側の前記収束構造物と前記出口側の前記収束構造物との中間部分に設ける。 (7) In the charged particle beam transport device described in any one of (1) to (6), the focusing structure is provided on the entrance side and the exit side of the charged particle beam, and a vacuum exhaust section for evacuating the inside of the charged particle beam transport device is provided in the middle part between the focusing structure on the entrance side and the focusing structure on the exit side.
(8)(1)乃至(7)のいずれかに記載の荷電粒子ビーム輸送装置において、前記荷電粒子ビームの電流を測定する電流測定器と、前記空間電荷中和剤の注入量を制御する制御装置と、を更に備え、前記制御装置は、前記電流測定器によるビーム電流値の測定結果に基づいて前記空間電荷中和剤の流量を調整する。 (8) The charged particle beam transport device according to any one of (1) to (7) further comprises a current measuring device for measuring the current of the charged particle beam and a control device for controlling the injection amount of the space charge neutralizer, and the control device adjusts the flow rate of the space charge neutralizer based on the measurement result of the beam current value by the current measuring device.
(9)(1)乃至(8)のいずれかに記載の荷電粒子ビーム輸送装置において、前記荷電粒子ビーム輸送装置内の真空度を測定する真空度測定器と、前記空間電荷中和剤の注入量を制御する制御装置と、を更に備え、前記制御装置は、前記真空度測定器による前記真空度の測定結果に基づいて前記空間電荷中和剤の流量を調整する。 (9) The charged particle beam transport device according to any one of (1) to (8) further includes a vacuum gauge for measuring the degree of vacuum within the charged particle beam transport device and a control device for controlling the injection amount of the space charge neutralizer, and the control device adjusts the flow rate of the space charge neutralizer based on the result of the measurement of the degree of vacuum by the vacuum gauge.
(10)(1)乃至(9)のいずれかに記載の荷電粒子ビーム輸送装置において、前記注入口を複数備え、複数の前記注入口での前記空間電荷中和剤の注入量をそれぞれ独立に制御する制御装置を更に備える。 (10) The charged particle beam transport device according to any one of (1) to (9), further comprising a control device that has a plurality of the injection ports and independently controls the injection amount of the space charge neutralizer at each of the plurality of injection ports.
(11)荷電粒子ビーム輸送装置の製造方法であって、荷電粒子ビームの収束部に向かって内径が小さくなる収束構造物を設けるステップと、前記収束構造物で囲まれた空間に向けて空間電荷を中和する空間電荷中和剤を注入する注入口を設けるステップと、を有する。 (11) A method for manufacturing a charged particle beam transport device, comprising the steps of providing a focusing structure whose inner diameter decreases toward the focusing portion of the charged particle beam, and providing an injection port for injecting a space charge neutralizing agent that neutralizes space charge toward the space surrounded by the focusing structure.
(12)荷電粒子ビームの中和方法であって、荷電粒子ビームの収束部に向かって内径が小さくなる収束構造物を設け、前記収束構造物で囲まれた空間に向けて空間電荷を中和する空間電荷中和剤を注入する。 (12) A method for neutralizing a charged particle beam, comprising providing a focusing structure whose inner diameter decreases toward the focusing portion of the charged particle beam, and injecting a space charge neutralizing agent that neutralizes the space charge toward the space surrounded by the focusing structure.
1…荷電粒子ビーム
2…真空チャンバ
3a,3b…収束コイル
4…荷電粒子ビーム生成装置
5…後段加速器
6…引き出し電極
7…中和剤貯留器
8,8A,8B,8C…注入量制御装置
9a,9b,9b1,9b2,9b3,9b4…注入口
10…真空計(真空度測定器)
11,11a,11a1,11b,11b1,11c,11c1,11d,11d1…ビーム分布計(分布測定器)
12…ビーム電流計(電流測定器)
13,13a,13b,16,17…コリメータ(収束構造物)
14…真空排気ポンプ(真空排気部)
15…ビームハロー部
20…荷電粒子ビーム輸送装置
30…線形加速器
11, 11a, 11a1, 11b, 11b1, 11c, 11c1, 11d, 11d1...beam distribution meter (distribution measuring instrument)
12...Beam ammeter (current measuring device)
13, 13a, 13b, 16, 17...Collimator (focusing structure)
14...Vacuum exhaust pump (vacuum exhaust part)
15...
Claims (12)
荷電粒子ビームの収束部に向かって内径が小さくなる収束構造物と、
前記収束構造物で囲まれた空間に向けて空間電荷を中和する空間電荷中和剤を注入する注入口と、を備える
荷電粒子ビーム輸送装置。 A charged particle beam transport device, comprising:
a focusing structure having an inner diameter that decreases toward a focusing portion of the charged particle beam;
an injection port for injecting a space charge neutralizing agent for neutralizing space charge toward a space surrounded by the focusing structure.
前記収束構造物は、前記荷電粒子ビーム輸送装置での前記荷電粒子ビームの出口側に設けられ、前記出口に向かって前記内径が小さくなる
荷電粒子ビーム輸送装置。 2. The charged particle beam transport system according to claim 1,
The focusing structure is provided on an outlet side of the charged particle beam in the charged particle beam transport device, and the inner diameter becomes smaller toward the outlet.
前記収束構造物は、更に、前記荷電粒子ビーム輸送装置での前記荷電粒子ビームの入口側に設けられ、前記入口に向かって前記内径が小さくなる
荷電粒子ビーム輸送装置。 3. The charged particle beam transport system according to claim 2,
The focusing structure is further provided on an entrance side of the charged particle beam in the charged particle beam transport device, and the inner diameter becomes smaller toward the entrance.
前記収束構造物は、テーパ形状である
荷電粒子ビーム輸送装置。 4. The charged particle beam transport system according to claim 1,
The focusing structure has a tapered shape.
前記荷電粒子ビームの分布を測定する分布測定器と、
前記空間電荷中和剤の注入量を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、輸送方向の断面のビーム分布が所望の形状となるように前記空間電荷中和剤の注入量を調整する
荷電粒子ビーム輸送装置。 4. The charged particle beam transport system according to claim 1,
a distribution measuring device for measuring a distribution of the charged particle beam;
A control device for controlling the injection amount of the space charge neutralizer,
The control device adjusts the amount of the space charge neutralizer injected so that the beam distribution in a cross section in the transport direction has a desired shape.
前記制御装置は、前記ビーム分布が第1所定範囲より狭いと判定されたときは前記空間電荷中和剤の注入量を判定されたタイミングより減らして、前記ビーム分布が前記第1所定範囲に比べて広い第2所定範囲より広いと判定されたときは前記空間電荷中和剤の注入量を判定されたタイミングより増やす
荷電粒子ビーム輸送装置。 6. The charged particle beam transport system according to claim 5,
The control device reduces the amount of space charge neutralizing agent injected compared to the determined timing when it is determined that the beam distribution is narrower than a first predetermined range, and increases the amount of space charge neutralizing agent injected compared to the determined timing when it is determined that the beam distribution is wider than a second predetermined range that is wider than the first predetermined range.
前記荷電粒子ビーム輸送装置内を真空排気する真空排気部を、前記入口側の前記収束構造物と前記出口側の前記収束構造物との中間部分に設ける
荷電粒子ビーム輸送装置。 4. The charged particle beam transport system according to claim 3,
a vacuum exhaust section for evacuating the inside of the charged particle beam transport device to a vacuum, the vacuum exhaust section being provided in an intermediate portion between the focusing structure on the entrance side and the focusing structure on the exit side.
前記荷電粒子ビームの電流を測定する電流測定器と、
前記空間電荷中和剤の注入量を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記電流測定器によるビーム電流値の測定結果に基づいて前記空間電荷中和剤の流量を調整する
荷電粒子ビーム輸送装置。 4. The charged particle beam transport system according to claim 1,
a current measuring device for measuring a current of the charged particle beam;
A control device for controlling the injection amount of the space charge neutralizer,
The control device adjusts the flow rate of the space charge neutralizer based on a measurement result of a beam current value by the current measuring device.
前記荷電粒子ビーム輸送装置内の真空度を測定する真空度測定器と、
前記空間電荷中和剤の注入量を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記真空度測定器による前記真空度の測定結果に基づいて前記空間電荷中和剤の流量を調整する
荷電粒子ビーム輸送装置。 4. The charged particle beam transport system according to claim 1,
a vacuum level measuring device for measuring a vacuum level within the charged particle beam transport device;
A control device for controlling the injection amount of the space charge neutralizer,
The control device adjusts a flow rate of the space charge neutralizer based on a result of measurement of the degree of vacuum by the vacuum measuring device.
前記注入口を複数備え、
複数の前記注入口での前記空間電荷中和剤の注入量をそれぞれ独立に制御する制御装置を更に備える
荷電粒子ビーム輸送装置。 4. The charged particle beam transport system according to claim 1,
The injection port is provided in a plurality of ports,
The charged particle beam transport device further comprises a control device that independently controls the injection amount of the space charge neutralizer at each of the plurality of injection ports.
荷電粒子ビームの収束部に向かって内径が小さくなる収束構造物を設けるステップと、
前記収束構造物で囲まれた空間に向けて空間電荷中和剤を注入する注入口を設けるステップと、を有する
荷電粒子ビーム輸送装置の製造方法。 A method for manufacturing a charged particle beam transport device, comprising the steps of:
providing a focusing structure having an inner diameter that decreases toward a focusing portion of the charged particle beam;
providing an injection port for injecting a space charge neutralizer toward a space surrounded by the focusing structure.
前記荷電粒子ビームの収束部に向かって内径が小さく構成される収束構造物で囲まれた空間に向けて空間電荷中和剤を注入する
荷電粒子ビームの中和方法。 A method for neutralizing a space charge of a charged particle beam in a charged particle beam transport device, comprising:
A method for neutralizing a charged particle beam, comprising: injecting a space charge neutralizing agent toward a space surrounded by a focusing structure having an inner diameter smaller toward a focusing portion of the charged particle beam.
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