JP2723391B2 - 荷電粒子ビームモニタ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば荷電粒子加速
装置で用いられる荷電粒子ビームのビーム形状、位置お
よび全電流を測定する荷電粒子ビームモニタに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】図６および図７は例えば「ベバラックに
おける重イオン用マルチワイヤチェンバーシステム」
（IEEE Transactions on Nuclear Science,Vol.NS-22,N
o.3,p.1561-1564,June 1975)に記載された従来の荷電粒
子ビームモニタを示す分解斜視図および断面図、図８の
（ａ）、（ｂ）はそれぞれ図７に示す従来の荷電粒子ビ
ームモニタの使用例を模式的に示す一部破断側面および
平面図である。図において、１は荷電粒子ビームモニ
タ、２は荷電粒子ビームモニタ１のビーム入射窓であ
り、このビーム入射窓２は荷電粒子ビームの通過時の散
乱を小さく抑え、かつ大気圧に耐える機械的強度を持た
せるために、例えばＢｅ、Ａｌ等の軽い金属を薄く作製
したものを用いている。

【０００３】３は陰極板であり、この陰極板３はガラス
エポキシ基板からなる支持板３ａと、この支持板３ａの
一方の面に形成された複数の配線電極３ｂと、支持板３
ａの中央部に形成された開口部３ｃと、この開口部３ｃ
の周囲で配線電極３ｂにはんだ付けされ、開口部３ｃを
覆うように形成された複数のワイヤ３ｄとから構成され
ている。４はＸ方向陽極板であり、このＸ方向陽極板４
は、陰極板３と同様に、支持板４ａ、配線電極（図示せ
ず）、開口部４ｃおよび複数のワイヤ４ｄから構成され
ている。５はＹ方向陽極板であり、このＹ方向陽極板５
は、同様に、支持板５ａ、配線電極５ｂ、開口部５ｃお
よび複数のワイヤ５ｄから構成されている。

【０００４】６は開口部６ａが形成され、ガラスエポキ
シ基板からなるスペーサ、７ａは陰極板３に設けられた
ガス供給口、７ｂは陰極板３に設けられたガス排出口、
８は締め付け用のボルト、９はＯリングである。１０は
荷電粒子ビームモニタ１を格納する真空容器、１１は真
空容器１０内に格納された荷電粒子ビームモニタ１を駆
動する駆動装置、１２は真空容器１０に接続された真空
ダクトである。

【０００５】ここで、図６に基づいて従来の荷電粒子ビ
ームモニタ１の組み立て方法について説明する。まず、
一対の陰極板３同士を、陰極板３のワイヤ３ｄが形成さ
れた面（以下、陰極ワイヤ面という）が相対し、かつそ
れぞれのワイヤ３ｄの配線方向が一致するように配置す
る。その内側に、一対のスペーサ６を介して、Ｘおよび
Ｙ方向陽極板４、５を、ＸおよびＹ方向陽極板４、５の
ワイヤ４ｄ、５ｄが形成された面（以下、ＸおよびＹ方
向陽極ワイヤ面という）が相対し、ワイヤ４ｄ、５ｄの
配線方向が直交し、かつワイヤ４ｄ、５ｄのそれぞれの
配線方向とワイヤ３ｄの配線方向とが４５°の角度で交
差するように配置する。

【０００６】さらにその内側に、スペーサ６を介して、
陰極板３を、陰極ワイヤ面がＸ方向陽極ワイヤ面と相対
し、かつワイヤ３ｄの配線方向が外側に配置した陰極板
３のワイヤ３ｄの配線方向と一致するように配置する。
その後、両端の陰極板３の外側からＯリング９を介して
一対のビーム入射窓２を積層して、ボルト８で締め付け
るとともに、陰極板３、ＸおよびＹ方向陽極板４、５お
よびスペーサ６の間隙に接着剤等の充填物を充填して、
気密性を保持させるとともに固着する。

【０００７】このようにして、図７に示すように、陰極
板３、ＸおよびＹ方向陽極板４、５およびスペーサ６
は、それぞれの開口部が同心配置となるように積層さ
れ、３枚の陰極板３は、それぞれのワイヤ配線方向が同
一方向となるように積層され、ＸおよびＹ方向陽極板
４、５は、それぞれのワイヤ配線方向が直交するように
積層され、陰極板３とＸおよびＹ方向陽極板４、５と
は、それぞれのワイヤ配線方向が４５°の角度で交差す
るように積層され、スペーサ６により各ワイヤ面が一定
の間隙を保ち、かつＯリング９と接着剤とにより気密性
を保持された荷電粒子ビームモニタ１を作製している。

【０００８】つぎに、図８の（ａ）、（ｂ）に基づい
て、従来の荷電粒子ビームモニタ１の動作について説明
する。荷電粒子ビームは、空気等の物質との衝突による
散乱消失を防ぐために、真空ダクト１２中で加速または
輸送される。まず、真空ダクト１２中を加速または輸送
される荷電粒子がビーム入射窓２を通過して各ワイヤ面
に垂直に入射するように荷電粒子ビームモニタ１を真空
容器１０内に格納し、真空容器１０内を高真空に維持す
る。そこで、ガス供給口７ａからガスを供給し、ガス排
出口７ｂから排気することにより、荷電粒子ビームモニ
タ１内の空気等の不純ガスを供給ガスで置換し、荷電粒
子ビームモニタ１内に供給ガスを充満させる。ついで、
陰極板３のワイヤ３ｄに配線電極３ｂを介して負の高電
圧を印加し、ＸおよびＹ方向陽極ワイヤ面あるいはＸお
よびＹ方向陽極板４、５の各ワイヤ４ｄ、５ｄと、陰極
ワイヤ面との間に大きな電場勾配を形成する。

【０００９】つぎに、真空ダクト１２中を飛来し、真空
を破ることなくビーム入射窓２から高速荷電粒子が入射
すると、荷電粒子は荷電粒子ビームモニタ１内の入射軌
道近傍のガス原子または分子と電磁相互作用し、それら
のガスをイオンと電子とに電離する。電離されたガスイ
オンと電子は、電気力線に沿って移動加速され、Ｘおよ
びＹ方向陽極ワイヤ面内または陰極ワイヤ面内のワイヤ
に集められ、そのワイヤからケーブル（図示せず）を介
して信号として取り出される。特に、電子は、Ｘおよび
Ｙ方向陽極板４、５のワイヤ４ｄ、５ｄの近傍で強い電
場勾配のために加速され、さらにワイヤ４ｄ、５ｄの近
傍のガスを電離し、生成されるガスイオン数・電子数が
増加するいわゆる電子雪崩を起こし、ワイヤに集められ
るガスイオンと電子数が増加する信号増幅作用を持つ。
この結果得られる信号をワイヤ毎に読みだし、荷電粒子
の通過した位置を検出することができ、ビーム形状、位
置が測定される。

【００１０】また、荷電粒子ビームの形状、位置等を測
定しない場合には、荷電粒子ビームモニタ１は駆動装置
１１によりビーム軌道上から外れるように移動され、荷
電粒子ビームの荷電粒子ビームモニタ１との衝突が避け
られる。

【００１１】ここで、荷電粒子ビームモニタ１内に充満
されたガスにより信号増幅（以下、ガス増幅という）さ
れるが、ガス増幅率は、使用するガスの種類、特性に依
存するとともに、ガス密度や不純物濃度の均一性によ
り、その一様性、安定性が影響される。また、Ｘおよび
Ｙ方向陽極ワイヤ面と陰極ワイヤ面との間に強い電場勾
配が形成され、ＸおよびＹ方向陽極ワイヤ面と陰極ワイ
ヤ面との間で放電が起り易く、局所的な不純ガスの残留
により局所的に耐電圧特性が変化し、放電が起こること
がある。したがって、ガス供給口７ａからのガス供給お
よびガス排出口７ｂからの排気を長時間行って荷電粒子
ビームモニタ１内の空気等の不純ガスを除去し、荷電粒
子ビームモニタ１内のガス密度や不純物濃度を均一とし
ている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】従来の荷電粒子ビーム
モニタは以上のように、陰極板３、ＸおよびＹ方向陽極
板４、５およびスペーサ６を積層して構成し、ガス供給
口７ａからガスを供給し、ガス排出口７ｂから排気して
荷電粒子ビームモニタ１内の空気等の不純ガスを置換し
ているので、荷電粒子ビームモニタ１内の不純ガスは供
給ガスの拡散によってのみ置換されることになり、陰極
板３、ＸおよびＹ方向陽極板４、５のそれぞれの開口部
周辺に生じる狭い間隙の不純ガスが充分に置換されにく
く、荷電粒子ビームモニタ１内のガス密度や不純物濃度
が不均一となりやすく、また、陰極板３、ＸおよびＹ方
向陽極板４、５およびスペーサ６がガラスエポキシ基板
で構成され、接着剤等の充填材を用いて気密性を保持し
ているので、基板材料および充填物からのアウトガス量
が多く、充填物の放射線損傷により荷電粒子ビームモニ
タ１内のガス漏洩が生じ、真空容器１０内の真空度の悪
化をもたらし、検出精度を低下するという課題があっ
た。

【００１３】この発明は、上記のような課題を解決する
ためになされたもので、モニタ本体内のガス密度や不純
物濃度を均一とし、ワイヤ端部でも開口部と同等のガス
増幅率が得られ、安定して高精度に荷電粒子のビーム形
状、位置を検出できる荷電粒子ビームモニタを得ること
を目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この発明に係る荷電粒子
ビームモニタは、モニタ本体を構成する陰極板、Ｘおよ
びＹ方向陽極板のそれぞれに、開口部と外周端面とを連
通するスリットを設け、さらにモニタ本体を金属製のガ
ス気密箱に気密保持するものである。

【００１５】

【作用】この発明においては、陰極板とＸおよびＹ方向
陽極板とのそれぞれに設けられた開口部と外周端面とを
連通するスリットが、ガス気密箱内に供給されるガスを
モニタ本体外周からモニタ本体内に導入し、陰極板とＸ
およびＹ方向陽極板とのそれぞれのワイヤ端部の狭い間
隙の空気等の不純ガスを速やかに置換し、モニタ本体内
のガス密度や不純物濃度を均一とするように働く。

【００１６】

【実施例】以下、この発明の実施例を図について説明す
る。 実施例１． 図１および図２はそれぞれこの発明に係る荷電粒子ビー
ムモニタの一実施例を示す断面図および分解斜視図であ
り、図において図６および図７に示した従来の荷電粒子
ビームモニタと同一または相当部分には同一符号を付
し、その説明を省略する。

【００１７】図において、１９は荷電粒子ビームモニ
タ、２０は陰極板であり、この陰極板２０はガラスエポ
キシ基板からなる支持板２０ａと、この支持板２０ａの
一方の面に形成された複数の配線電極（図示せず）と、
支持板２０ａの中央部に形成された開口部２０ｂと、こ
の開口部２０ｂを覆うように開口部２０ｂの周囲で配線
電極にはんだ付けされた複数のワイヤ２０ｃとから構成
され、さらに支持板２０ａの陰極ワイヤ面（ワイヤ２０
ｃが形成されている面）と反対側の面には、ワイヤ端部
のはんだ盛り上がり部逃がし用の間隙２１が開口部２０
ｂを包囲して形成されるとともに、間隙２１と支持板２
０ａの外周端面とを連通するスリット２２が形成されて
いる。

【００１８】２３はＸ方向陽極板であり、このＸ方向陽
極板２３は、陰極板２０と同様に、支持板２３ａ、配線
電極（図示せず）、開口部２３ｂ、複数のワイヤ２３
ｃ、間隙２１およびスリット２２から構成されている。
２４はＹ方向陽極板であり、このＹ方向陽極板２４は、
同様に、支持板２４ａ、配線電極（図示せず）、開口部
２４ｂ、複数のワイヤ２４ｃ、間隙２１およびスリット
２２から構成されている。

【００１９】２５はスペーサであり、このスペーサ２５
は、同様に、支持板２５ａ、開口部２５ｂ、間隙２１お
よびスリット２２から構成されている。２６はビーム入
射窓２がＯリング９を介して取り付けられたガス気密箱
であり、このガス気密箱２６には、ガス供給口７ａおよ
びガス排出口７ｂが取り付けられている。

【００２０】ここで、上記実施例１による荷電粒子ビー
ムモニタ１９の組み立て方法について説明する。まず、
陰極板２０の陰極ワイヤ面上に、Ｘ方向陽極ワイヤ面が
陰極ワイヤ面と同方向で、ワイヤ２３ｃの配線方向がワ
イヤ２０ｃの配線方向に対して４５°の角度で交差し、
かつ開口部２３ｂが開口部２０ｂと同心配置となるよう
にＸ方向陽極板２３を積層する。この時、陰極板２０の
ワイヤ２０ｃの端部のはんだ盛り上がり部は、Ｘ方向陽
極板２３の開口部２３ｂ周囲に設けられた間隙２１内に
収納される。同様して、さらに陰極板２０、Ｙ方向陽極
板２４、陰極板２０およびスペーサ２５を順次積層した
後、接着剤で接着固定する。

【００２１】このようにして作製された積層体構造のモ
ニタ本体２７は、それぞれのワイヤ面が等間隔で同方向
を向き、隣接するワイヤの配線方向が互いに４５°の角
度で交差するように、ＸおよびＹ方向陽極板２３、２４
のそれぞれを、３枚の陰極板２０で挟み込んで構成して
いる。

【００２２】このモニタ本体２７をガス気密箱２６内に
収納し、Ｏリング９を介してビーム入射窓２を取り付
け、荷電粒子ビームモニタ１９を作製する。

【００２３】次に、上記実施例１の荷電粒子ビームモニ
タ１９の動作について説明する。荷電粒子ビームモニタ
１９を真空容器１０内に収納し、真空容器１０内を高真
空に維持する。ついで、ガス供給口７ａからガスを供給
し、ガス排出口７ｂから排気して、ガス気密箱２６内を
供給ガスで充満させる。この時、供給ガスは、ガス気密
箱２６内に導入され、スペーサ２５の開口部２５ｂから
モニタ本体２７内の開口部を通り、開口部内の空気等不
純ガスが置換される。また、スリット２２からモニタ本
体２７の開口部内にもガスが流れ込み、スリット２１お
よび間隙２０内の空気等不純ガスが置換される。このよ
うにして、モニタ本体２７の開口部およびワイヤ端部の
狭い間隙の不純ガスが置換され、モニタ本体２７内のガ
ス密度や不純物濃度が均一となり、不純ガスの局所的な
残留もない。

【００２４】その他の動作は、図６および図７に示した
従来の荷電粒子ビームモニタ１と同様に動作する。

【００２５】したがって、上記実施例１によれば、モニ
タ本体２７の開口部および各ワイヤ端部におけるガス密
度・不純物濃度が均一となり、各陰極板２０のワイヤ２
０ｃの端部でも開口部２０ｂと同等の耐電圧特性が得ら
れ、ＸおよびＹ方向陽極板２３、２４のワイヤ２４ｃ、
２５ｃの端部でも開口部２３ｂ、２４ｂと同等のガス増
幅率が得られ、安定して高精度に荷電粒子のビーム形
状、位置等を測定することができる。

【００２６】参考例１． 図３および図４はそれぞれこの発明の参考例に係る荷電
粒子ビームモニタを示す一部破断斜視図および分解斜視
図、図５はこの発明の参考例に係る荷電粒子ビームモニ
タの使用例を示す模式図である。図において、３０は荷
電粒子ビームモニタ、３１はモニタ本体、３２はモニタ
本体３１を取り付ける取付枠、３３はガス気密箱であ
り、このガス気密箱３３はアウトガス放出量の少ない材
料、例えばＡｌで作製され、対向する両側面の肉厚を機
械的強度の許せる範囲内で充分薄く削ってビーム入射窓
３３ａを一体形成するとともに、例えばＯリングを用い
て底面部で真空シールしている。

【００２７】３４は陰極板であり、この陰極板３４はガ
ラスエポキシ基板からなる支持板３４ａに開口部３４ｂ
が形成され、一方の面に配線電極（図示せず）が形成さ
れ、複数のワイヤ３４ｃが開口部３４ｂを覆うように開
口部３４ｂの周囲で配線電極にはんだ付けされて構成し
ている。３５はＸ方向陽極板であり、このＸ方向陽極板
３５は、陰極板３４と同様に、支持板３５ａ、開口部３
５ｂ、配線電極（図示せず）および開口部３５ｂを覆う
ように配線された複数のワイヤ３５ｃとから構成してい
る。３６はＹ方向陽極板であり、このＹ方向陽極板３６
は、陰極板３４と同様に、支持板３６ａ、開口部３６
ｂ、配線電極（図示せず）および開口部３６ｂを覆うよ
うに配線された複数のワイヤ３６ｃとから構成してい
る。

【００２８】３７はガス気密箱３３に取り付けられ、ガ
ス気密箱３３内にガスを給排するとともに信号読みだし
用等のケーブルを収容するパイプ、３８はベローズ、３
９はフランジである。

【００２９】ここで、上記参考例１における荷電粒子ビ
ームモニタ３０の組み立て方法について説明する。ま
ず、ＸおよびＹ方向陽極板３５、３６を３枚の陰極板３
４で挟み込むように配置し、ボルト８で締め付けて積層
体構造のモニタ本体３１を組み立てる。このモニタ本体
３１は、ＸおよびＹ方向陽極板３５、３６のワイヤ３５
ｃ、３６ｃの配線方向が互いに直交し、ＸおよびＹ方向
陽極板３５、３６のワイヤ３５ｃ、３６ｃの配線方向と
陰極板３４のワイヤ３４ｃの配線方向とが互いに４５°
の角度で交差し、かつ３枚の陰極板３４とＸおよびＹ方
向陽極板３５、３６との開口部３４ｂ、３５ｂ、３６ｂ
がそれぞれ同心配置するように積層構成されている。

【００３０】このモニタ本体３１を取付枠３２に取り付
け、ガス気密箱３３内に収納した後、底面で例えばＯリ
ングを用いて真空シールして、気密に保持された荷電粒
子ビームモニタ３０を作製する。

【００３１】つぎに、図５に基づいて上記荷電粒子ビー
ムモニタ３０の動作について説明する。パイプ３７の一
端が、ベローズ３８に取り付けられたフランジ３９に固
定され、外部の駆動装置１１により、荷電粒子ビームモ
ニタ３０が荷電粒子ビームの軌道中に挿入され、また引
き出されるように、荷電粒子ビームモニタ３０を真空容
器１０内に格納する。真空容器１０内は高真空に維持さ
れ、外部よりパイプ３７を通してガスを供給、排気し、
ガス気密箱３３内をガスで充満させる。真空中を飛来す
る荷電粒子ビームは、ガス気密箱３３に一体形成された
ビーム入射窓３３ａから入射し、モニタ本体３１で、荷
電粒子のビーム形状、位置を検出できる。

【００３２】上記参考例１によれば、ビーム入射窓３３
ａがガス気密箱３３に一体形成されているので、ビーム
入射窓を構成する金属薄膜をＯリング等で真空シールす
る複雑なシール構造を必要とせず、ガス気密箱３３の厚
肉の底面で真空シールでき、またガス気密箱３３がＡｌ
等のアウトガス放出量の少ない材料で作製しているの
で、極めてよい真空性能が得られる。そこで、モニタ本
体３１を気密に保持されたガス気密箱３３内に収納して
いるので、モニタ本体３１を構成する陰極板３４、Ｘお
よびＹ方向陽極板３５、３６の支持板３４ａ、３５ａ、
３６ａからのアウトガスが真空容器１０内に入り込ま
ず、また、信号読み出し用のためのケーブルもパイプ３
７を通して外部に引き出すことができるので、ケーブル
材料からのアウトガスも防ぐことがき、真空容器１０内
の真空度の悪化が抑えられ、安定して高精度に荷電粒子
のビーム形状、位置等を測定することができる。

【００３３】なお、上記参考例１では、ビーム入射窓３
３ａを一体形成したガス気密箱３３内にモニタ本体３１
を収納して荷電粒子ビームモニタ３０を構成している
が、ガス気密箱３３内に実施例１におけるモニタ本体２
７を収納しても同様の効果を奏する。

【００３４】また、上記参考例１では、ガス気密箱３３
をＡｌを用いて作製しているが、アウトガス放出量の少
ない材料であればよく、さらにビーム入射窓３３ａを一
体形成することから、荷電粒子ビームの通過時の散乱を
小さく抑えるため、Ａｌ等の軽い金属が望ましい。

【００３５】

【発明の効果】この発明は、以上説明したように構成さ
れているので、以下に記載されるような効果を奏する。

【００３６】この発明によれば、モニタ本体を構成する
陰極板とＸおよびＹ方向陽極板とのそれぞれに、外周端
面と開口部とを連通するスリットを設け、さらにモニタ
本体を金属製のガス気密箱に気密保持しているので、モ
ニタ本体内のガス密度や不純物濃度が均一となり、ワイ
ヤ端部でも開口部と同等のガス増幅率が得られ、モニタ
本体からのアウトガスによる真空容器内の真空度の低下
を抑え、安定して高精度に荷電粒子のビーム形状、位置
を検出できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明に係る荷電粒子ビームモニタの一実
施例を示す断面図である。

【図２】 この発明に係る荷電粒子ビームモニタの一実
施例を示す分解斜視図である。

【図３】 この発明の参考例に係る荷電粒子ビームモニ
タを示す一部破断斜視図である。

【図４】 この発明の参考例に係る荷電粒子ビームモニ
タを示す分解斜視図である。

【図５】 この発明の参考例に係る荷電粒子ビームモニ
タの使用例を示す模式図である。

【図６】 従来の荷電粒子ビームモニタの一例を示す分
解斜視図である。

【図７】 従来の荷電粒子ビームモニタの一例を示す断
面図である。

【図８】 従来の荷電粒子ビームモニタの使用例を示す
模式図である。

【符号の説明】

１９ 荷電粒子ビームモニタ、２０ 陰極板、２０ｂ
開口部、２０ｃ ワイヤ、２２ スリット、２３ Ｘ方
向陽極板、２３ｂ 開口部、２３ｃ ワイヤ、２４ Ｙ
方向陽極板、２４ｂ 開口部、２４ｃ ワイヤ、２６
ガス気密箱、２７ モニタ本体、３０ 荷電粒子ビーム
モニタ、３１ モニタ本体、３３ ガス気密箱、３３ａ
ビーム入射窓、３４ 陰極板、３４ｂ 開口部、３４
ｃ ワイヤ、３５ Ｘ方向陽極板、３５ｂ 開口部、３
５ｃ ワイヤ、３６ Ｙ方向陽極板、３６ｂ 開口部、
３６ｃ ワイヤ。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 開口部、前記開口部を覆うように一方の
   面に配線された複数のワイヤおよび前記開口部と外周端
   面とを連通するように他方の面に設けられたスリットを
   有するＸおよびＹ方向陽極板のそれぞれを、開口部、前
   記開口部を覆うように一方の面に配線された複数のワイ
   ヤおよび前記開口部と外周端面とを連通するように他方
   の面に設けられたスリットを有する３枚の陰極板で挟み
   込んで構成するモニタ本体と、金属製のガス気密箱とを
   備え、前記モニタ本体を前記ガス気密箱内に気密保持し
   たことを特徴とする荷電粒子ビームモニタ。