JP2893767B2 - 荷電粒子集束装置 - Google Patents
荷電粒子集束装置Info
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- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 5
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- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 1
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-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
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- H05H7/08—Arrangements for injecting particles into orbits
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Description
この発明は、たとえばイオン注入装置などの、荷電粒
子を発生し、それを利用する装置において荷電粒子を輸
送するのに好適な、荷電粒子集束装置に関する。
子を発生し、それを利用する装置において荷電粒子を輸
送するのに好適な、荷電粒子集束装置に関する。
従来より、第５図に示すような４重極レンズ（または
Ｑレンズと呼ばれる）が知られている（日本学術振興会
第132委員会編「電子イオンビームハンドブック」第２
版、日刊工業新聞社刊、pp.72−82）。これは、第５図
のように４つの直線状の棒状極子51〜54を、ｘ−ｙ−ｚ
直角座標系におけるｘ−ｙ平面上に配置したもので、互
いに対向する極子51、52の対には正の電位（またはＮの
磁位）を、他の対向する極子53、54の対には負の電位
（またはＳの磁位）を与え、これらの対を90゜の角度で
配置している。同様の極子61〜64をｚ軸方向に比べて２
段、または３段以上の４重極レンズ構成とすることもあ
る。多段構成の場合、ｚ方向に隣接するもの同士で電位
（磁位）を反転させる。 このような電位（磁位）を与えられた極子によって、
極子に囲まれる空間内に、この空間をｚ方向に進む荷電
粒子に対して強集束と強発散の力を及ぼす場を作る。こ
れにより一種の合成レンズとして荷電粒子に作用させ、
荷電粒子の流れを集束してｚ軸上の１箇所に集めること
ができる。
Ｑレンズと呼ばれる）が知られている（日本学術振興会
第132委員会編「電子イオンビームハンドブック」第２
版、日刊工業新聞社刊、pp.72−82）。これは、第５図
のように４つの直線状の棒状極子51〜54を、ｘ−ｙ−ｚ
直角座標系におけるｘ−ｙ平面上に配置したもので、互
いに対向する極子51、52の対には正の電位（またはＮの
磁位）を、他の対向する極子53、54の対には負の電位
（またはＳの磁位）を与え、これらの対を90゜の角度で
配置している。同様の極子61〜64をｚ軸方向に比べて２
段、または３段以上の４重極レンズ構成とすることもあ
る。多段構成の場合、ｚ方向に隣接するもの同士で電位
（磁位）を反転させる。 このような電位（磁位）を与えられた極子によって、
極子に囲まれる空間内に、この空間をｚ方向に進む荷電
粒子に対して強集束と強発散の力を及ぼす場を作る。こ
れにより一種の合成レンズとして荷電粒子に作用させ、
荷電粒子の流れを集束してｚ軸上の１箇所に集めること
ができる。
しかしながら、従来の上記のような４重極レンズで
は、各極子の正・負の電位（またはＳ・Ｎの磁位）の微
調整が必要であり、また、元来エネルギーの揃った荷電
粒子の流れをｚ軸上の１箇所に集めるためのものである
ことからして、エネルギーの揃わない荷電粒子の流れを
遠距離まで輸送したり、ｚ軸近傍に閉じ込めることは不
可能であり、さらに荷電粒子の輸送経路も直線に限られ
る。 この発明は、荷電粒子を遠距離まで輸送することがで
きるとともに、輸送経路も任意の曲線とすることができ
る、荷電粒子集束装置を提供することを目的とする。
は、各極子の正・負の電位（またはＳ・Ｎの磁位）の微
調整が必要であり、また、元来エネルギーの揃った荷電
粒子の流れをｚ軸上の１箇所に集めるためのものである
ことからして、エネルギーの揃わない荷電粒子の流れを
遠距離まで輸送したり、ｚ軸近傍に閉じ込めることは不
可能であり、さらに荷電粒子の輸送経路も直線に限られ
る。 この発明は、荷電粒子を遠距離まで輸送することがで
きるとともに、輸送経路も任意の曲線とすることができ
る、荷電粒子集束装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、この発明による荷電粒子集
束装置においては、荷電粒子の輸送経路の中心軸に沿っ
て配置された偶数個の実質的に長尺な極子が備えられ、
それらの２個ずつは上記輸送経路の中心軸に対して対称
に配置されて対向しており、この対向関係を保ってこれ
らの長尺の極子が上記輸送経路の中心軸の回りに実質的
に連続螺旋状に半回転以上旋回するようにして配置さ
れ、それぞれの対の極子には同一極性の電位または磁位
が与えられるとともに、隣接する極子対の間では反対極
性の電位または磁位が与えられることが特徴となってい
る。
束装置においては、荷電粒子の輸送経路の中心軸に沿っ
て配置された偶数個の実質的に長尺な極子が備えられ、
それらの２個ずつは上記輸送経路の中心軸に対して対称
に配置されて対向しており、この対向関係を保ってこれ
らの長尺の極子が上記輸送経路の中心軸の回りに実質的
に連続螺旋状に半回転以上旋回するようにして配置さ
れ、それぞれの対の極子には同一極性の電位または磁位
が与えられるとともに、隣接する極子対の間では反対極
性の電位または磁位が与えられることが特徴となってい
る。
極子は実質的に長尺であって、荷電粒子の輸送経路の
中心軸の回りに実質的に連続螺旋状に半回転以上旋回す
るようにして、輸送経路の中心軸に沿って配置されてい
る。この極子は、輸送経路方向に実質的に長尺であっ
て、偶数個設けられる。この２個ずつが対をなしてお
り、各対を構成する２つの極子は輸送経路の中心軸に対
して対向するようにされている。そしてこの関係を保っ
て上記のように輸送経路の長手方向に連続螺旋状に半回
転以上旋回するよう配置されている。さらに、実質的に
長尺となっているそれらの極子には、対向する対ごとに
異なる電位または磁位が与えられ、それぞれの対をなす
２つの極子は同一極性とされ、隣接する極子対の間では
極性が反対となるようにされる。 したがって、従来の四重極レンズが荷電粒子の進行方
向に行くにしたがって徐々に連続的に螺旋状に半回転以
上旋回していくのと同じになる。 そのため、荷電粒子の輸送経路のある位置を横切る平
面では、荷電粒子は、ある極子対を結ぶ方向に強集束
の、他の極子対を結ぶ方向に強発散の、電気的あるいは
磁気的力を受ける。そして、各極子が輸送経路の方向に
おいて連続螺旋状に旋回するため、これらの力の方向も
荷電粒子が進むにしたがって、輸送経路を横切る平面内
で回転して行くことになる。そしてある距離だけ進んだ
位置では集束方向と発散方向とが逆転する。 その結果、荷電粒子はいつも輸送経路の中心軸の回り
を振動しつつ進むことになり、極子により形成される空
間から外れることがないので、荷電粒子を長い距離輸送
することができる。 また、上記のように連続螺旋状に半回転以上旋回する
よう配置される長尺の極子群を曲げても、荷電粒子はそ
の曲がりに沿って進行することになる。そのため荷電粒
子の輸送経路を任意の曲線とすることもできる。
中心軸の回りに実質的に連続螺旋状に半回転以上旋回す
るようにして、輸送経路の中心軸に沿って配置されてい
る。この極子は、輸送経路方向に実質的に長尺であっ
て、偶数個設けられる。この２個ずつが対をなしてお
り、各対を構成する２つの極子は輸送経路の中心軸に対
して対向するようにされている。そしてこの関係を保っ
て上記のように輸送経路の長手方向に連続螺旋状に半回
転以上旋回するよう配置されている。さらに、実質的に
長尺となっているそれらの極子には、対向する対ごとに
異なる電位または磁位が与えられ、それぞれの対をなす
２つの極子は同一極性とされ、隣接する極子対の間では
極性が反対となるようにされる。 したがって、従来の四重極レンズが荷電粒子の進行方
向に行くにしたがって徐々に連続的に螺旋状に半回転以
上旋回していくのと同じになる。 そのため、荷電粒子の輸送経路のある位置を横切る平
面では、荷電粒子は、ある極子対を結ぶ方向に強集束
の、他の極子対を結ぶ方向に強発散の、電気的あるいは
磁気的力を受ける。そして、各極子が輸送経路の方向に
おいて連続螺旋状に旋回するため、これらの力の方向も
荷電粒子が進むにしたがって、輸送経路を横切る平面内
で回転して行くことになる。そしてある距離だけ進んだ
位置では集束方向と発散方向とが逆転する。 その結果、荷電粒子はいつも輸送経路の中心軸の回り
を振動しつつ進むことになり、極子により形成される空
間から外れることがないので、荷電粒子を長い距離輸送
することができる。 また、上記のように連続螺旋状に半回転以上旋回する
よう配置される長尺の極子群を曲げても、荷電粒子はそ
の曲がりに沿って進行することになる。そのため荷電粒
子の輸送経路を任意の曲線とすることもできる。
つぎにこの発明の一実施例について図面を参照しなが
ら説明する。第１図において、４本の長尺の棒状極子
１、２、３、４が荷電粒子輸送経路の中心軸（ここでは
ｚ軸）を取り囲むようにして、ｚ軸方向に一定のピッチ
で螺旋状に旋回しながらｚ軸に沿って配置されている。
ｚ軸に直角なｘ−ｙ面について見てみると、どのｘ−ｙ
面でも、ｚ軸を中心として棒状極子１、３が対向してい
るとともに棒状極子２、４が対向している。隣接する極
子１、３の対と極子２、４の対との間はこの実施例では
直角になっているが必ずしも直角である必要はない。 これら４つの長尺棒状極子１〜４は、電界型の場合導
電性の材料からなり、磁界型の場合磁性体材料からなっ
ていて、第２図に示すように対向するもの同士に同極性
の電位または磁位が与えられ、隣接する対の間では反対
極性の電位または磁位が与えられた４重極レンズの構成
となっている。 正の荷電粒子がｚ軸方向に進むとき、あるｘ−ｙ面で
第２図のような極子１〜４が構成されていたとすると、
その位置ではｏ−ｘ方向には強い集束力を、ｏ−ｙ方向
には強い発散力を受ける。ところが極子１〜４が長尺で
あって螺旋状に旋回しているため、荷電粒子がｚ方向に
進行するにしたがって、その集束力を受ける方向と発散
力を受ける方向が変化していき、第２図のような状態と
なっている位置より1/8ピッチだけ進んだ位置では集束
力はｏ−ｙ方向に、発散力はｏ−ｘ方向にと、その力の
方向が逆転する。 このように荷電粒子は４つの棒状極子１〜４内部で常
に力の方向が変化する集束及び発散の力を受けるが、系
全体で力を合成すると粒子が常に集束力を受けるよう各
極子１〜４の電位または磁位の調整を行うことにより、
粒子がいつもｚ軸の回りを振動しつつ進むようにするこ
とができる。第３図A,B,Cはその荷電粒子の軌跡を示す
もので、第３図Ａは棒状極子１、３に＋10kV、棒状極子
２、４に−5kVを加えて100keVの１価の正イオンを注入
したときの軌跡を、第３図Ｂは棒状極子１、３に＋16k
V、棒状極子２、４に−8kVを加えて1000keVの１価の正
イオンを注入したときの軌跡を、第３図Ｃは棒状極子
１、３に＋16kV、棒状極子２、４に−8kVを加えて3000k
eVの１価の正イオンを注入したときの軌跡を、それぞれ
示す。なお螺旋のピッチはｚ方向に16cmとしている。こ
の第３図A,B,Cより、進行する荷電粒子の振動周期は粒
子の持つエネルギーが高いほど大きなものとなることが
分かる。このように荷電粒子が振動しながらも棒状極子
１〜４の囲まれた空間を外れずにＺ方向に進行するた
め、４本の棒状極子１〜４で長尺の荷電粒子輸送系の実
現ができたことになる。 また、第３図Ｄは上記４つの棒状極子１〜４によって
構成される輸送系に対して、勾配をもたせて荷電粒子を
入射したときの粒子軌跡を示したものである。この場
合、極子１、３に＋10keV、極子２、４に−10keVを与
え、勾配dx/dz＝0.05として100kxVの１価正イオンを入
射している。この第３図Ｄから、勾配をもたせて荷電粒
子を入射したときでも極子１〜４に囲まれた空間からは
み出すことなく粒子が進行することが分かる。したがっ
て棒状極子１〜４に曲率を与えても荷電粒子はそれに沿
って進行することになり、輸送経路に柔軟性をもたせ任
意の曲線状とすることが可能となる。 第４図A,Bは第２の実施例を示すものである。この第
２の実施例では、棒状極子１〜４のｚ方向に短く切断
し、それら短い棒状極子1a,1b,…、2a,2b,…、3a,3b,
…、4a,4b,…の各々は直線状とするが、その配置位置を
ｚ軸に進にしたがってすこしずつ旋回させ、且つ棒状極
子1a,1b,…は同電位（磁位）、2a,2b,…は同電位（磁
位）、3a,3b,…は同電位（磁位）、4a,4b,…は同電位
（磁位）として、実質的に第１図の長尺の棒状極子１〜
４の構成と同じものとしている。この場合も、実質的に
第１図と同様の構成となるため、長尺の荷電粒子輸送系
が実現できる。 なお、上記では極子数を４としているが、８としたり
さらに数を増やすことも可能である。また、極子の位置
は対向する対については中心軸から等距離とする必要が
あるが、隣接する対の間では中心軸から同じ距離とする
必要はない。さらに、上記では正の荷電粒子について説
明したが、負の荷電粒子あるいは電子についても適用で
きる。
ら説明する。第１図において、４本の長尺の棒状極子
１、２、３、４が荷電粒子輸送経路の中心軸（ここでは
ｚ軸）を取り囲むようにして、ｚ軸方向に一定のピッチ
で螺旋状に旋回しながらｚ軸に沿って配置されている。
ｚ軸に直角なｘ−ｙ面について見てみると、どのｘ−ｙ
面でも、ｚ軸を中心として棒状極子１、３が対向してい
るとともに棒状極子２、４が対向している。隣接する極
子１、３の対と極子２、４の対との間はこの実施例では
直角になっているが必ずしも直角である必要はない。 これら４つの長尺棒状極子１〜４は、電界型の場合導
電性の材料からなり、磁界型の場合磁性体材料からなっ
ていて、第２図に示すように対向するもの同士に同極性
の電位または磁位が与えられ、隣接する対の間では反対
極性の電位または磁位が与えられた４重極レンズの構成
となっている。 正の荷電粒子がｚ軸方向に進むとき、あるｘ−ｙ面で
第２図のような極子１〜４が構成されていたとすると、
その位置ではｏ−ｘ方向には強い集束力を、ｏ−ｙ方向
には強い発散力を受ける。ところが極子１〜４が長尺で
あって螺旋状に旋回しているため、荷電粒子がｚ方向に
進行するにしたがって、その集束力を受ける方向と発散
力を受ける方向が変化していき、第２図のような状態と
なっている位置より1/8ピッチだけ進んだ位置では集束
力はｏ−ｙ方向に、発散力はｏ−ｘ方向にと、その力の
方向が逆転する。 このように荷電粒子は４つの棒状極子１〜４内部で常
に力の方向が変化する集束及び発散の力を受けるが、系
全体で力を合成すると粒子が常に集束力を受けるよう各
極子１〜４の電位または磁位の調整を行うことにより、
粒子がいつもｚ軸の回りを振動しつつ進むようにするこ
とができる。第３図A,B,Cはその荷電粒子の軌跡を示す
もので、第３図Ａは棒状極子１、３に＋10kV、棒状極子
２、４に−5kVを加えて100keVの１価の正イオンを注入
したときの軌跡を、第３図Ｂは棒状極子１、３に＋16k
V、棒状極子２、４に−8kVを加えて1000keVの１価の正
イオンを注入したときの軌跡を、第３図Ｃは棒状極子
１、３に＋16kV、棒状極子２、４に−8kVを加えて3000k
eVの１価の正イオンを注入したときの軌跡を、それぞれ
示す。なお螺旋のピッチはｚ方向に16cmとしている。こ
の第３図A,B,Cより、進行する荷電粒子の振動周期は粒
子の持つエネルギーが高いほど大きなものとなることが
分かる。このように荷電粒子が振動しながらも棒状極子
１〜４の囲まれた空間を外れずにＺ方向に進行するた
め、４本の棒状極子１〜４で長尺の荷電粒子輸送系の実
現ができたことになる。 また、第３図Ｄは上記４つの棒状極子１〜４によって
構成される輸送系に対して、勾配をもたせて荷電粒子を
入射したときの粒子軌跡を示したものである。この場
合、極子１、３に＋10keV、極子２、４に−10keVを与
え、勾配dx/dz＝0.05として100kxVの１価正イオンを入
射している。この第３図Ｄから、勾配をもたせて荷電粒
子を入射したときでも極子１〜４に囲まれた空間からは
み出すことなく粒子が進行することが分かる。したがっ
て棒状極子１〜４に曲率を与えても荷電粒子はそれに沿
って進行することになり、輸送経路に柔軟性をもたせ任
意の曲線状とすることが可能となる。 第４図A,Bは第２の実施例を示すものである。この第
２の実施例では、棒状極子１〜４のｚ方向に短く切断
し、それら短い棒状極子1a,1b,…、2a,2b,…、3a,3b,
…、4a,4b,…の各々は直線状とするが、その配置位置を
ｚ軸に進にしたがってすこしずつ旋回させ、且つ棒状極
子1a,1b,…は同電位（磁位）、2a,2b,…は同電位（磁
位）、3a,3b,…は同電位（磁位）、4a,4b,…は同電位
（磁位）として、実質的に第１図の長尺の棒状極子１〜
４の構成と同じものとしている。この場合も、実質的に
第１図と同様の構成となるため、長尺の荷電粒子輸送系
が実現できる。 なお、上記では極子数を４としているが、８としたり
さらに数を増やすことも可能である。また、極子の位置
は対向する対については中心軸から等距離とする必要が
あるが、隣接する対の間では中心軸から同じ距離とする
必要はない。さらに、上記では正の荷電粒子について説
明したが、負の荷電粒子あるいは電子についても適用で
きる。
この発明の荷電粒子集束装置によれば、経路が非常に
長く、しかも経路を任意の曲線状とする柔軟性を持った
荷電粒子ビームの輸送系を作ることができる。したがっ
て、この荷電粒子集束装置を用いれば、イオン注入装置
や高エネルギービーム加速器などの小型化、低価格化が
可能となる。
長く、しかも経路を任意の曲線状とする柔軟性を持った
荷電粒子ビームの輸送系を作ることができる。したがっ
て、この荷電粒子集束装置を用いれば、イオン注入装置
や高エネルギービーム加速器などの小型化、低価格化が
可能となる。
第１図はこの発明の一実施例にかかる荷電粒子集束装置
を示す概念的な斜視図、第２図は第１図の各極子の電
位、または磁位を示す断面図、第３図A,B,C,Dはそれぞ
れ荷電粒子の軌跡を示す図、第４図はこの発明の第２の
実施例にかかる荷電粒子集束装置を示すもので、第４図
Ａはｚ軸方向から見た正面図、第４図Ｂはｘ軸方向から
見た側面図、第５図は従来例の概念的な斜視図である。 １、２、３、４……棒状極子。
を示す概念的な斜視図、第２図は第１図の各極子の電
位、または磁位を示す断面図、第３図A,B,C,Dはそれぞ
れ荷電粒子の軌跡を示す図、第４図はこの発明の第２の
実施例にかかる荷電粒子集束装置を示すもので、第４図
Ａはｚ軸方向から見た正面図、第４図Ｂはｘ軸方向から
見た側面図、第５図は従来例の概念的な斜視図である。 １、２、３、４……棒状極子。
Claims (1)
- 【請求項１】荷電粒子の輸送経路の中心軸に沿って配置
された偶数個の実質的に長尺な極子が備えられ、それら
の２個ずつは上記輸送経路の中心軸に対して対称に配置
されて対向しており、この対向関係を保ってこれらの長
尺の極子が上記輸送経路の中心軸の回りに実質的に連続
螺旋状に半回転以上旋回するようにして配置され、それ
ぞれの対の極子には同一極性の電位または磁位が与えら
れるとともに、隣接する極子対の間では反対極性の電位
または磁位が与えられることを特徴とする荷電粒子集束
装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1312174A JP2893767B2 (ja) | 1989-11-30 | 1989-11-30 | 荷電粒子集束装置 |
| EP19900403404 EP0430812B1 (en) | 1989-11-30 | 1990-11-29 | Charged particle convergence device |
| DE1990621339 DE69021339T2 (de) | 1989-11-30 | 1990-11-29 | Konvergenzeinrichtung für geladene Teilchen. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1312174A JP2893767B2 (ja) | 1989-11-30 | 1989-11-30 | 荷電粒子集束装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03172800A JPH03172800A (ja) | 1991-07-26 |
| JP2893767B2 true JP2893767B2 (ja) | 1999-05-24 |
Family
ID=18026115
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1312174A Expired - Fee Related JP2893767B2 (ja) | 1989-11-30 | 1989-11-30 | 荷電粒子集束装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0430812B1 (ja) |
| JP (1) | JP2893767B2 (ja) |
| DE (1) | DE69021339T2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10334962A1 (de) * | 2003-07-31 | 2005-03-03 | Vanier, Stéphane, Dr. | Rotativer Elektromagnet |
| JP2006046907A (ja) * | 2004-07-30 | 2006-02-16 | High Energy Accelerator Research Organization | ビームファイバ、及びビーム輸送方法 |
| JP5374731B2 (ja) * | 2008-11-26 | 2013-12-25 | 独立行政法人日本原子力研究開発機構 | レーザー駆動粒子線照射装置およびレーザー駆動粒子線照射装置の動作方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3886398A (en) * | 1973-08-20 | 1975-05-27 | Varian Associates | Electron beam electrical power transmission system |
| JPS62139300A (ja) * | 1985-12-12 | 1987-06-22 | 工業技術院長 | シンクロトロン放射光取出し方法およびその方法を用いる電子波動リング |
-
1989
- 1989-11-30 JP JP1312174A patent/JP2893767B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1990
- 1990-11-29 EP EP19900403404 patent/EP0430812B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1990-11-29 DE DE1990621339 patent/DE69021339T2/de not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0430812B1 (en) | 1995-08-02 |
| EP0430812A2 (en) | 1991-06-05 |
| EP0430812A3 (en) | 1991-11-27 |
| DE69021339D1 (de) | 1995-09-07 |
| DE69021339T2 (de) | 1996-04-18 |
| JPH03172800A (ja) | 1991-07-26 |
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