JP4038883B2 - 高周波型加速管 - Google Patents
高周波型加速管 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4038883B2 JP4038883B2 JP16254198A JP16254198A JP4038883B2 JP 4038883 B2 JP4038883 B2 JP 4038883B2 JP 16254198 A JP16254198 A JP 16254198A JP 16254198 A JP16254198 A JP 16254198A JP 4038883 B2 JP4038883 B2 JP 4038883B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- tube
- acceleration
- inductors
- tank
- inductor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Particle Accelerators (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン注入装置、イオンビーム照射装置およびＰＩＸＥ（Proton Induced X-Ray Emission ）やＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry ）等のイオンビームを使った表面分析装置などで好適に実施され、高周波でイオンを加速する直線型の加速管に関し、特に３ギャップの加速管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオンを高周波で加速する技術は、古くから研究が行われており、半導体の製造工程や医療等で広く利用されている。これまでイオン加速用に開発されてきた高周波型加速器の例として、ヴィデレー型、アルバレ型およびＲＦＱ（高周波四重極加速器）などがあり、比較的短い加速器長さで、高いエネルギが得られるように研究が進められてきた。
【０００３】
しかしながら、これらの加速器はエネルギ可変性に乏しく、特に、半導体の製造工程に適用するためには、エネルギを連続的に可変できることが必要不可欠である。これを解決する手法として、たとえば特公平６−２８１４６号、特公平８−２３０６７号、特開平１０−１２５２７３号および特開平１０−１２５２７２号公報で示されるように、ギャップ数の少ない加速管を多段に接続することが提案されている。
【０００４】
たとえば２ギャップの加速管と、３ギャップの加速管とにおける、１価のイオンに対するエネルギゲインＥ２，Ｅ３は、それぞれ下式で表される。
【０００５】
Ｅ２＝２Ｖ※Ｔ※ｃｏｓφ …（１）
Ｅ３＝４Ｖ※Ｔ※ｃｏｓφ …（２）
ただし、Ｖはドリフトチューブに高周波が導入されることによって発生する励振電圧であり、φは同期位相であり、Ｔはイオンが加速管を通過する時間および電極配置によって決定される定数であり、ＴＴＦ（Transit Time Factor ）と称され、入射速度に対する加減速度効率を表す。
【０００６】
ここで、各ギャップ数毎の加速管へのイオンの入射速度の変化に対する、前記ＴＴＦの変化を図８に示す。この図８において、β0 は、光束ｃに対するイオンの入射速度ｖの比βの最適値であり、前記イオンの入射速度ｖがギャップ間距離によって決定される加速のタイミングに同期している状態である。
【０００７】
この図８から明らかなように、ギャップ数が増加する程、入射速度の異なるイオンを効率的に加速することができなくなってゆく。一方、前記励振電圧Ｖが同じ場合、ギャップ数が多くなる程、エネルギゲインが高くなり、たとえば前記式１と式２とから明らかなように、３ギャップ型では２ギャップ型に比べて、２倍のエネルギゲインとなる。
【０００８】
したがって、様々なイオンを様々なエネルギで加速する前記イオン注入装置やイオンビーム照射装置の場合には、比較的大きなエネルギゲインを得ることができ、かつ緩やかなＴＴＦの変化を有する３ギャップ型が最適であると考えられる。たとえば５ギャップ型になると、エネルギゲインＥ５は、１０Ｖ※Ｔ※ｃｏｓφとなるけれども、ＴＴＦの変化が大きく、イオン種や入射エネルギーが異なると、全く加速できない場合が生じてしまい、前記イオン注入装置などでは致命的である。
【０００９】
図９は、上述のような３ギャップの典型的な従来技術の加速管１の構造を示す縦断面図である。加速室２に形成された孔３から入射されたイオン４は、大地電位である該加速室２の壁面に接続されたグランド電極５と、高周波電圧で励振されているドリフトチューブ６との間の第１の加速ギャップ７で加速され、ドリフトチューブ６中を通過する間に位相が１８０°変わり、前記ドリフトチューブ６と該ドリフトチューブ６とは逆極性の高周波電圧で励振されているドリフトチューブ８との間の第２の加速ギャップ９で加速され、さらに前記ドリフトチューブ８と加速室２の壁面に接続されたグランド電極１０との間の第３の加速ギャップ１１で加速されて、孔１２から出射される。
【００１０】
ドリフトチューブ６，８には、タンク１３の底面から立設された共振用のインダクタポール１４，１５が接続されている。一方のインダクタポール１４には、参照符１６で示す同軸管またはケーブル（図９の例では同軸ケーブル）から結合器１７を介してタンク１３内に導入された高周波電力が、前記結合器１７とインダクタポール１４との電磁結合または容量結合（図９の例では容量結合）よって、該インダクタポール１４に与えられる。他方のインダクタポール１５には、前記結合器１７と同様に構成されるチューナ１８が臨んでおり、該チューナ１８とインダクタポール１５との間の静電容量を調整することによって、反射電力が最小な条件で前記高周波電力が導入される。
【００１１】
図１０は、３ギャップの他の従来技術の加速管２１の構造を説明するためのタンク２２の一部を切欠いて示す斜視図である。この加速管２１は、Nuclear Instruments and Methods in Physies Research ２２４（１９８４）の第１７項〜第２６項に記載されているものである。なお、この加速管２１において前述の加速管１に対応する部分には、同一の参照符号を付してその説明を省略する。この加速管２１では、ドリフトチューブ６，８に対するインダクタ２３，２４は、渦巻状に形成されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように構成される加速管１，２１において、前記インダクタポール１４，１５およびインダクタ２３，２４は、１／４波長共振器と称され、加速管の共振波長λの１／４付近の長さに形成される。したがって、たとえば共振周波数が１００（ＭＨｚ）の場合で、長さが７５ｃｍとなる。一方、前記イオン注入装置で用いるような、Ｂ，Ｐ，Ａｓなどの、比較的重いイオンを加速する場合には、普通、加速管の共振周波数を１０〜５０（ＭＨｚ）にとる。
【００１３】
したがって、共振周波数を、たとえば１０（ＭＨｚ）とすると、前記インダクタポール１４，１５およびインダクタ２３，２４の長さは、７．５（ｍ）にも及んでしまう。この場合、前記加速管１のような構造では、タンク１３の高さが１０（ｍ）近くにもなり、現実的ではない。
【００１４】
この点、前記加速管２１では、インダクタ２３，２４の巻数を多く取ることによって、タンク２２の容量を小さくすることができる。しかしながら、前記巻数を多く取ると、インダクタ２３，２４の剛性が不足してしまう。一方、該インダクタ２３，２４は、注入される高周波電力の多くを消費するので、二重筒構造とされて、該筒内には数〜数十（リットル／分）の大流量の冷媒が流れている。したがって、前記巻数を多く取ると、ドリフトチューブ６，８を支持する該インダクタ２３，２４の機械的強度が不足し、前記ドリフトチューブ６，８をビーム進行軸上に正確に位置決めすることができず、場合によっては振動が発生し、共振周波数を一定に保持することができなくなり、加速管２１の安定稼動に支障をきたしてしまう。
【００１５】
また、インダクタ２３，２４の巻数を多くすると、該インダクタ２３，２４にドリフトチューブ６，８を固着するにあたって、その取付部付近に充分な作業スペースを確保することができず、作業性が悪いという問題もある。以上のことから、加速管２１では、インダクタ２３，２４に機械的な精度および強度が要求され、該インダクタ２３，２４の巻数をあまり多くすることができず、タンク２２の容量を小さくすることができない。
【００１６】
さらにまた、加速管には、シャントインピーダンスＲ0 と呼ばれる励振電圧を評価するパラメータが定義されており、該パラメータを用いて、３ギャップの加速管のトータルの励振電圧は、下式で表される。
【００１７】
４Ｖ＝｛２※Ｐ※Ｒ0 ｝1/2 …（３）
ただし、Ｐは投入パワーを表す。
【００１８】
したがって、シャントインピーダンスＲ0 は、加速管のエネルギゲインを決定するパラメータであり、該シャントインピーダンスＲ0 が高くなる程、加速管当りのエネルギゲイン、したがって投入パワー当りのエネルギゲインである電力効率を大きくすることができる。このシャントインピーダンスＲ0 は、インダクタの形状およびタンク内での位置等によって決定され、電力効率の向上のために、高くすることが望まれる。
【００１９】
本発明の目的は、インダクタのタンク容量を縮小することができるとともに、安定動作および電力効率の向上を図ることができる高周波型加速管を提供することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る高周波型加速管は、加速室内に３つの加速ギャップを有し、その加速ギャップを構成する２つのドリフトチューブにそれぞれ関連する共振用のインダクタがタンク内に設けられる高周波型加速管において、前記各インダクタは、冷却水を通過させることができる管体から成り、タンク底面から立設される第１の直線部と、前記第１の直線部に連なるコイル部と、前記コイル部と前記ドリフトチューブとの間を接続する第２の直線部とを有し、前記第２の直線部が絶縁部材によってタンク内壁に保持固定され、前記コイル部は、その巻径と管体の外径との比が９〜１３に形成されることを特徴とする。
【００２１】
上記の構成によれば、比較的大きなエネルギゲインを得ることができ、かつ比較的緩やかなＴＴＦ変化で種々のイオン種および入射エネルギに対応することができる３ギャップの高周波型加速管において、比較的重いイオンを加速するにあったって、共振周波数が低いために長くなってしまう共振用のインダクタにコイル部を形成し、タンク容量の縮小を図るとともに、ドリフトチューブとインダクタとの接続にあたって、組立作業性を向上するために、ドリフトチューブの周囲に広い作業スペースを確保する。
【００２２】
このとき、前記インダクタでは、前記コイル部に連なる第１の直線部がタンク底面に保持固定され、前記コイル部と前記ドリフトチューブとの間を接続する第２の直線部が絶縁部材によってタンク内壁に保持固定され、かつコイル部の巻径と管体の外径との比が９〜１３に形成され、必要な機械的強度と冷却能力とが確保される。これによって、共振周波数にずれを生じることがなく、安定動作および電力効率の向上を図ることができる。
【００２３】
また、インダクタのコイル部の巻径と管体の外径との比が前記９〜１３に形成されることによって、シャントインピーダンスＲ0 を比較的高く設定することができ、これによってもまた、電力効率の向上を図ることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態について、図１〜図６に基づいて説明すれば、以下のとおりである。
【００２５】
図１は本発明の実施の一形態の加速管３１の構造を示す縦断面図であり、図２は図１の切断面線Ａ−Ａから見た断面図である。この加速管３１は、３つの加速ギャップ３２，３３，３４を備える直線型の加速管であり、大略的に、前記加速ギャップ３２，３３，３４を形成するグランド電極３５、ドリフトチューブ３６、ドリフトチューブ３７およびグランド電極３８を備える加速室４１と、共振用のインダクタ３９，４０を備えるタンク４５とから構成されている。
【００２６】
この加速管３１では、高周波電圧が印加される２つのドリフトチューブ３６，３７にそれぞれ接続されるインダクタ３９，４０がＬとなり、前記加速ギャップ３２，３３，３４と各部の分布容量がＣとなり、立体的な共振回路を形成している。
【００２７】
前記加速室４１およびタンク４５は、銅、アルミ、銀、またはそれらがメッキ処理された非磁性材料などの導電性の高い材料によって形成されている。ただし、前記メッキ処理された材料の場合には、メッキ厚さを、材質と周波数とによって決定される表皮厚さよりも充分厚くすることは言うまでもない。後述するインダクタ３９，４０以外の比較的パワー損失の小さい残余の部分も、このような材料によって形成されている。
【００２８】
加速室４１の孔４２から入射されたイオン４３は、大地電位である該加速室４１の壁面に接続されたグランド電極３５とドリフトチューブ３６との間の第１の加速ギャップ３２と、ドリフトチューブ３６，３７間の第２の加速ギャップ３３と、ドリフトチューブ３７と加速室４１の壁面に接続されたグランド電極３８との間の第３の加速ギャップ３４とで順次加速された後、孔４４から出射される。加速室４１内は、イオン４３のビーム損失の低減および放電防止のために、高真空に保たれている。
【００２９】
前記ドリフトチューブ３６，３７には、それぞれ共振用のインダクタ３９，４０の一端側の直線部３９ａ，４０ａが接続されており、このインダクタ３９，４０の他端側の直線部３９ｂ，４０ｂは、タンク４５の底面に接続されている。このインダクタ３９，４０のタンク４５の底面側での間隔Ｌ１は、前記シャントインピーダンスＲ0 が低下しないような距離に選ばれ、ドリフトチューブ３６，３７側での間隔Ｌ２は、加速ギャップ３２，３３，３４間の間隔Ｌ３に等しく、最も効率良く加速すべきイオンの速度に合わせて設定され、したがってこれらの間隔Ｌ１，Ｌ２は、必ずしも等しくなる必要はない。
【００３０】
前記インダクタ３９，４０における前記両端の直線部３９ａ，３９ｂ；４０ａ，４０ｂ以外の部分は、コイル状に巻回されてコイル部３９ｃ，４０ｃを形成しており、前記λ／４共振器に必要となるインダクタ長さに対して、該コイル部３９ｃ，４０ｃの長さは大幅に短く、したがってタンク４５の高さＨが充分小さくなっている。前記２つのコイル部３９ｃ，４０ｃの巻回方向は、相互に同一方向と、相互に異なる方向とのいずれであってもよい。このインダクタ３９，４０は、後に詳述するように二重筒構造とされており、該筒内には、純水やフレオンなどの外部から供給される冷媒が循環されている。
【００３１】
前記インダクタ３９，４０の遊端側となる前記直線部３９ａ，４０ａは、絶縁板４６，４７によって、それぞれタンク４５の内壁に保持固定されており、これによって前記ドリフトチューブ３６，３７の中心は、ビーム軸上に正確に位置決めされて、安定して保持される。前記絶縁板４６，４７は、高周波電界の高い箇所に配置されるので、発熱、すなわちパワー損失が発生する。したがって、これを抑えるために、誘電正接が充分低い材料、たとえば高純度アルミナや高周波用セラミック等から形成される。
【００３２】
高周波電力の導入は、電磁結合または容量結合の何れであってもよく、図１は、容量結合の例を示している。前記高周波電力は、高周波電源から、特性インピーダンスがたとえば５０Ωで、参照符４８で示す同軸管またはケーブル（図１の例では同軸ケーブル）によってタンク４５内に導入され、ループ型またはプレート型（図１の例ではプレート型）の結合器４９に与えられている。結合器４９はインダクタ３９の直線部３９ａに臨み、該結合器４９とインダクタ３９との間の静電容量を調整することによって、同軸ケーブル４８とインダクタ３９とはインピーダンス結合され、反射電力が最小な条件で前記高周波電力が導入される。
【００３３】
高周波電力が導入されると、図２で示すように、インダクタ３９，４０が相互に逆極性、すなわち位相が１８０°ずれた高周波の励振電圧Ｖで励振し、加速電界Ｅが発生する。加速の原理は、たとえば前記特開平１０−１２５２７２号公報の第０００９〜００１８段落に記載されている。加速管３１が励振すると、内部が発熱し、共振周波数がシフトしてしまうので、これを補償するために、前記ループ型またはプレート型（図１の例ではプレート型）のチューナ５０が、インダクタ４０の直線部４０ａに臨んで設けられている。
【００３４】
上述のように構成される加速管３１において、本発明では、前記インダクタ３９，４０は、以下に詳述するように形成される。
【００３５】
まず、シャントインピーダンスＲ0 について検討する。加速管のエネルギゲインをできるだけ大きくするためには、前述のようにシャントインピーダンスＲ0 をできるだけ高くする必要がある。このシャントインピーダンスＲ0 は、
Ｒ0 ＝Ｑ0 ※（Ｒ0 ／Ｑ0 ） …（４）
で表すことができる。
【００３６】
ここで、Ｑ0 は、無負荷Ｑ値と称され、加速管内のパワー損失が少い程、高くなる。また、（Ｒ0 ／Ｑ0 ）は、加速管の特性インピーダンスであり、該加速管の構造によって決定される。前記Ｑ値は、上述のような導電性の良好な材料や、誘電正接の小さい絶縁部材を使用することで改善することができる。また、一般に、加速管内で発生する磁界成分を導電物が遮ると、その部分で電流が流れ、前記Ｑ値が低下するので、この点に関しても注意を要する。一方、前記（Ｒ0 ／Ｑ0 ）は、ほぼインダクタの形状によって決定される。そこで、本件発明者は３次元動電磁場解析を行い、その解析結果に基づいて、インダクタ３９，４０の最適形状を求めている。
【００３７】
前記３次元動電磁場解析によるインダクタ周りの磁場分布を図３に示す。なおこの例では、インダクタ３９，４０のコイル部３９ｃ，４０ｃの巻回方向は、相互に同一方向としており、また結合器４９およびチューナ５０ならびに絶縁板４６，４７は省略している。
【００３８】
この図３から明らかなように、インダクタ３９，４０が相互に逆極性の励振電圧Ｖで励振しているので、磁場の流れは、参照符６０で示すように、コイル部３９ｃ，４０ｃ内を貫く大きなループ状となっている。インダクタ３９，４０の巻回方向が相互に逆方向であれば、磁場の流れは、コイル部３９ｃ，４０ｃの内周から外周をそれぞれ周る小さなループ状となる。
【００３９】
前記コイル部３９ｃ，４０ｃがタンク４５の底面側に近付くと、前記磁場ループが該タンク４５の底面に接触するようになり、また加速室４１側に近付くと、前記加速室４１がタンク４５に比べて比較的小さい場合には、前記磁場ループがタンク４５の上面に接触するようになる。これによって、磁場が遮断されると、前述のようにＱ値の低下を招き、シャントインピーダンスＲ0 が低下してしまう。たとえば、前記シャントインピーダンスＲ0 は、図１〜図３の構造では、１１．３５（ＭΩ）であったのが、インダクタ３９，４０間に導電板を挿入して前記磁場ループ６０を遮断すると、１０．７７（ＭΩ）となり、約５（％）低下してしまう。
【００４０】
したがって、タンク高さＨを極力低くすることができる範囲内で、前記コイル部３９ｃ，４０ｃを前記直線部３９ａ，３９ｂ；４０ａ，４０ｂでそれぞれ支持して、タンク４５の中央部付近に配置し、磁場ループ６０の乱れを極力小さくなるようにしている。
【００４１】
一方、インダクタ３９，４０のチューブ径ｄと、該インダクタ３９，４０の巻径Ｄとを変化させた場合のシャントインピーダンスＲ0 の変化を、それぞれ図４（ａ）および図５（ａ）で示す。これら図４および図５の例は、共振周波数を３３（ＭＨｚ）とした場合の例である。ただし、前記巻径Ｄは、コイル部３９ｃ，４０ｃの平均の径であり、チューブ中心での径となる。
【００４２】
図４の例では、タンク４５の内径Ｌ１０を３５０（ｍｍ）とし、インダクタ間距離Ｌ１を１５０（ｍｍ）とし、前記巻径Ｄを８０（ｍｍ）としている。図４（ｂ）には、チューブ径ｄを変化させることで、巻径Ｄと該チューブ径ｄとの比率を変化させた場合におけるシャントインピーダンスＲ0 のピーク値に対する比率の変化を示している。この図４からは、チューブ径ｄが８（ｍｍ）であるときにシャントインピーダンスＲ0 が最も高く、そのピーク値に対して、許容値をたとえば９０（％）とすると、Ｄ／ｄ＝９〜１３の範囲に設定すれば良いことが理解される。
【００４３】
また図５の例では、前記タンク内径Ｌ１０を５００（ｍｍ）とし、インダクタ間距離Ｌ１を２５０（ｍｍ）とし、チューブ径ｄを１０（ｍｍ）としている。図５（ｂ）には、前記Ｄ／ｄを変化させた場合のシャントインピーダンスＲ0 の前記ピーク値に対する比率の変化を示している。この図５から、前記巻径Ｄが１００（ｍｍ）であるときが、最もシャントインピーダンスＲ0 が高いことを表しており、そのピーク値に対して、許容値を前記９０（％）とすると、Ｄ／ｄが８以上であれば良いことが理解される。
【００４４】
前記図４および図５から明らかなように、タンク内径Ｌ１０およびインダクタ間距離Ｌ１を変化させても、シャントインピーダンスＲ0 が最大になるときのＤ／ｄは、ほぼ同じになり、たとえば許容値をピーク値の９０（％）とすると、９〜１３の範囲であれば、その許容値内でのシャントインピーダンスを得ることができる。
【００４５】
次に、前記インダクタ３９，４０の加工性について検討する。これらのインダクタ３９，４０は、金、銀、銅等の導電性の良好な金属チューブ、または表面にこれらの金属のメッキ処理を施したチューブを、螺旋状に巻回して作成される。これらのインダクタ３９，４０の全長は、共振周波数（１／λ）から決定され、したがって巻数は必ずしも整数とはならない。しかしながら、該インダクタ３９，４０の取付位置は機械的に決定されており、作成誤差を考えると、コイル部３９ｃ，４０ｃの始端または終端の少くともいずれか一方（図１および図３では両方）は、巻き中心、すなわちコイル部３９ｃ，４０ｃの軸線上に戻っている必要がある。したがって、この中心に戻る始端部分または終端部分の曲げ半径が最も小さくなる。
【００４６】
通常、金属管の曲げ半径は、管の直径をＲとすると、最小でＲである。しかしながら、インダクタ３９，４０は、素材を焼き鈍して作成されるので、このような小さい曲げ半径で作成すると、曲げ部がつぶれてしまう。したがって、実際の作成には、前記曲げ半径は、少くとも１．５Ｒ以上必要となる。
【００４７】
たとえば、前記図４および図５から示されるように、Ｄ＝１００（ｍｍ）、ｄ＝１２（ｍｍ）、すなわちＤ／ｄ≒８．３とした場合のコイル部３９ｃ，４０ｃの形状を、図６に示す。前記始端または終端以外の部分は、曲げ半径Ｒ＝４４（ｍｍ）で、所定ピッチで巻回されている。これに対して、前記始端または終端部分は、Ｒ＝１９（ｍｍ）となってしまい、チューブ径ｄ＝１２（ｍｍ）のほぼ１．５倍で、曲げ半径の限界に近くなってしまう。
【００４８】
このような場合、インダクタ３９，４０の軸線方向（コイル部３９ｃ，４０ｃの軸線方向および直線部３９ａ，３９ｂ；４０ａ，４０ｂの長手方向）を加えた３次元的な曲げ加工を行うことによって、前記曲げ半径Ｒを大きく取ることができる。しかしながら、製作が複雑になり、製造コストが上昇してしまう。このため、加工性の観点からは、Ｄ／ｄ＝９以上が望ましい。
【００４９】
続いて、冷却効率について検討する。加速管に投入された電力は、ビームを加速する以外の殆どがこれらのインダクタ３９，４０で消費され、発熱を生じる。半導体の製作などに用いられる通常のイオン注入装置では、前記投入電力は数（ｋＷ）にも及び、したがって冷却が無いと、該インダクタ３９，４０は瞬時に溶損してしまう。また、冷却が不十分であると、このインダクタ３９，４０の発熱によって共振周波数のシフトが発生し、前記チューナ５０による補償範囲を超えてしまうと、加速管３１を安定稼動することができなくなってしまう。
【００５０】
このため、インダクタ３９，４０の温度変化は、最大電力の投入時で、１０（℃）程度以下となることが望ましい。このためには、高周波パワー１（ｋＷ）当り、冷却水流量が１（リットル／分）以上必要となる。
【００５１】
一方、インダクタ３９，４０は、上述のように二重筒構造となっており、前記チューブ径ｄの管体内に、往復の冷却水路を作成する必要がある。したがって、たとえば共振周波数を３３（ＭＨｚ）、投入パワーを５（ｋＷ）、したがって２本のインダクタ３９，４０の１本当りの電力消費を２．５（ｋＷ）とし、Ｄ＝１００（ｍｍ）、ｄ＝８（ｍｍ）、すなわちＤ／ｄ＝１２．５とするとき、外筒の外径は前記８（ｍｍ）となり、たとえば肉厚を０．５（ｍｍ）とし、内筒の外径を５（ｍｍ）とし、肉厚を０．５（ｍｍ）とすると、２．５（リットル／分）の冷却水流量が必要となり、この場合の水圧は５（ｋｇ／ｃｍ2 ）となる。
【００５２】
この流量は、加速管の安定稼動および水圧に対する外筒の耐圧の限界値であり、さらにインダクタ３９，４０のチューブ径ｄを小さくすると、冷却水量の減少による投入可能なパワーの低下によって、加速電圧の低下を招くことになる。したがって、冷却効率の観点からは、Ｄ／ｄ＝１３以下であることが望ましい。
【００５３】
最後に、ドリフトチューブ３６，３７の中心を、ビーム軸上に、正確に、かつ安定して位置決めするためには、前記冷却水の流れなどによる振動を抑制することが必要であり、前記Ｄ／ｄは、小さい方が良い。
【００５４】
以上のような検討結果をまとめると、表１のようになり、Ｄ／ｄを９〜１３とすることによって、必要な冷却効率および機械的強度を確保しつつ、シャントインピーダンスＲ0 を高くし、電力効率を高めることができるとともに、良好な加工性を得ることもできる。
【００５５】
【表１】
【００５６】
なお、その他のパラメータである、たとえばタンク内径Ｌ１０は、３次元動電磁場解析の結果によれば、該内径Ｌ１０の１／２乗に比例してシャントインピーダンスＲ0 の改善が可能であることが確認されており、加速管に要求されるシャントインピーダンスＲ0 と設置スペースおよび真空ポンプの排気容量などとに対応して決定される。
【００５７】
また、インダクタ間距離Ｌ１は、ドリフトチューブ３６，３７、グランド電極３５，３８、結合器４９およびチューナ５０などの加速器３１内の残余の構造物や、放電限界距離との関係によって決定される。前記導電磁場解析の結果によれば、該インダクタ間距離Ｌ１を変化しても、シャントインピーダンスＲ0 を大幅に改善することはできない。しかしながら、あまり小さくしすぎると、インダクタ３９，４０間での静電容量が増加し、シャントインピーダンスＲ0 の低下を招く。したがって、該距離Ｌ１は、前記巻径Ｄの１．５倍以上あればよい。
【００５８】
さらにまた、一般に加速管の特性インピーダンス（Ｒ0 ／Ｑ０）は、Ｃが小さく、Ｌが大きい程高くなる。したがって、同じインダクタンス長であっても、コイル部３９ｃ，４０ｃの巻きピッチを小さくする程、すなわち該コイル部３９ｃ，４０ｃの高さを小さくする程、シャントインピーダンスＲ0 が向上するのは明らかである。
【００５９】
タンク４５の形状は、円筒形と四角筒形とのいずれであってもよく、またインダクタ３９，４０の配列方向は、図７の加速管７１で示すように、ビーム進行軸方向と交差する方向であってもよい。
【００６０】
【発明の効果】
本発明に係る高周波型加速管は、以上のように、比較的大きなエネルギゲインを得ることができ、かつ比較的緩やかなＴＴＦ変化で種々のイオン種および入射エネルギに対応することができる３ギャップの高周波型加速管において、比較的重いイオンに対応して長くなる共振用のインダクタに、コイル部を形成する。
【００６１】
それゆえ、タンク容量の縮小を図ることができるとともに、ドリフトチューブとインダクタとの接続にあたって、ドリフトチューブの周囲に広い作業スペースを確保することができ、組立作業性を向上することができる。
【００６２】
またこのとき、前記インダクタを、そのコイル部に連なる第１の直線部をタンク底面に保持固定し、前記コイル部と前記ドリフトチューブとの間を接続する第２の直線部を絶縁部材によってタンク内壁に保持固定し、かつコイル部の巻径と管体の外径との比を９〜１３に形成し、必要な機械的強度と冷却能力とを確保する。
【００６３】
それゆえ、共振周波数にずれを生じることがなく、安定動作および電力効率の向上を図ることができる。
【００６４】
さらにまた、インダクタのコイル部の巻径と管体の外径との比を前記９〜１３に形成することによって、シャントインピーダンスＲ0 を比較的高く設定することができ、これによってもまた、電力効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態の加速管の構造を示す縦断面図である。
【図２】図１の切断面線Ａ−Ａから見た断面図である。
【図３】図１および図２で示す加速管における動電磁場解析結果を示す縦断面図である。
【図４】図１で示す加速管におけるインダクタのチューブ径を変化させた場合のシャントインピーダンスの変化を示すグラフである。
【図５】図１で示す加速管におけるインダクタの巻き径を変化させた場合のシャントインピーダンスの変化を示すグラフである。
【図６】前記インダクタの加工性を説明するための図である。
【図７】本発明の実施の他の形態の加速管の構造を示す透視斜視面図である。
【図８】各種のギャップ数での加速管へのイオンの入射速度の変化に対する加減速効率の変化を示すグラフである。
【図９】典型的な従来技術の加速管の構造を示す縦断面図である。
【図１０】他の従来技術の加速管の構造を説明するための一部を切欠いて示す斜視図である。
【符号の説明】
３１，７１ 加速管
３２，３３，３４ 加速ギャップ
３５，３８ グランド電極
３６，３７ ドリフトチューブ
３９，４０ インダクタ
３９ａ，４０ａ 直線部（第２の直線部）
３９ｂ，４０ｂ 直線部（第１の直線部）
３９ｃ，４０ｃ コイル部
４１ 加速部
４３ イオン
４５ タンク
４６，４７ 絶縁板
４８ 同軸ケーブル
４９ 結合器
５０ チューナ
Ｄ 巻径
ｄ チューブ径（管体外径）
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン注入装置、イオンビーム照射装置およびＰＩＸＥ（Proton Induced X-Ray Emission ）やＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry ）等のイオンビームを使った表面分析装置などで好適に実施され、高周波でイオンを加速する直線型の加速管に関し、特に３ギャップの加速管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオンを高周波で加速する技術は、古くから研究が行われており、半導体の製造工程や医療等で広く利用されている。これまでイオン加速用に開発されてきた高周波型加速器の例として、ヴィデレー型、アルバレ型およびＲＦＱ（高周波四重極加速器）などがあり、比較的短い加速器長さで、高いエネルギが得られるように研究が進められてきた。
【０００３】
しかしながら、これらの加速器はエネルギ可変性に乏しく、特に、半導体の製造工程に適用するためには、エネルギを連続的に可変できることが必要不可欠である。これを解決する手法として、たとえば特公平６−２８１４６号、特公平８−２３０６７号、特開平１０−１２５２７３号および特開平１０−１２５２７２号公報で示されるように、ギャップ数の少ない加速管を多段に接続することが提案されている。
【０００４】
たとえば２ギャップの加速管と、３ギャップの加速管とにおける、１価のイオンに対するエネルギゲインＥ２，Ｅ３は、それぞれ下式で表される。
【０００５】
Ｅ２＝２Ｖ※Ｔ※ｃｏｓφ …（１）
Ｅ３＝４Ｖ※Ｔ※ｃｏｓφ …（２）
ただし、Ｖはドリフトチューブに高周波が導入されることによって発生する励振電圧であり、φは同期位相であり、Ｔはイオンが加速管を通過する時間および電極配置によって決定される定数であり、ＴＴＦ（Transit Time Factor ）と称され、入射速度に対する加減速度効率を表す。
【０００６】
ここで、各ギャップ数毎の加速管へのイオンの入射速度の変化に対する、前記ＴＴＦの変化を図８に示す。この図８において、β0 は、光束ｃに対するイオンの入射速度ｖの比βの最適値であり、前記イオンの入射速度ｖがギャップ間距離によって決定される加速のタイミングに同期している状態である。
【０００７】
この図８から明らかなように、ギャップ数が増加する程、入射速度の異なるイオンを効率的に加速することができなくなってゆく。一方、前記励振電圧Ｖが同じ場合、ギャップ数が多くなる程、エネルギゲインが高くなり、たとえば前記式１と式２とから明らかなように、３ギャップ型では２ギャップ型に比べて、２倍のエネルギゲインとなる。
【０００８】
したがって、様々なイオンを様々なエネルギで加速する前記イオン注入装置やイオンビーム照射装置の場合には、比較的大きなエネルギゲインを得ることができ、かつ緩やかなＴＴＦの変化を有する３ギャップ型が最適であると考えられる。たとえば５ギャップ型になると、エネルギゲインＥ５は、１０Ｖ※Ｔ※ｃｏｓφとなるけれども、ＴＴＦの変化が大きく、イオン種や入射エネルギーが異なると、全く加速できない場合が生じてしまい、前記イオン注入装置などでは致命的である。
【０００９】
図９は、上述のような３ギャップの典型的な従来技術の加速管１の構造を示す縦断面図である。加速室２に形成された孔３から入射されたイオン４は、大地電位である該加速室２の壁面に接続されたグランド電極５と、高周波電圧で励振されているドリフトチューブ６との間の第１の加速ギャップ７で加速され、ドリフトチューブ６中を通過する間に位相が１８０°変わり、前記ドリフトチューブ６と該ドリフトチューブ６とは逆極性の高周波電圧で励振されているドリフトチューブ８との間の第２の加速ギャップ９で加速され、さらに前記ドリフトチューブ８と加速室２の壁面に接続されたグランド電極１０との間の第３の加速ギャップ１１で加速されて、孔１２から出射される。
【００１０】
ドリフトチューブ６，８には、タンク１３の底面から立設された共振用のインダクタポール１４，１５が接続されている。一方のインダクタポール１４には、参照符１６で示す同軸管またはケーブル（図９の例では同軸ケーブル）から結合器１７を介してタンク１３内に導入された高周波電力が、前記結合器１７とインダクタポール１４との電磁結合または容量結合（図９の例では容量結合）よって、該インダクタポール１４に与えられる。他方のインダクタポール１５には、前記結合器１７と同様に構成されるチューナ１８が臨んでおり、該チューナ１８とインダクタポール１５との間の静電容量を調整することによって、反射電力が最小な条件で前記高周波電力が導入される。
【００１１】
図１０は、３ギャップの他の従来技術の加速管２１の構造を説明するためのタンク２２の一部を切欠いて示す斜視図である。この加速管２１は、Nuclear Instruments and Methods in Physies Research ２２４（１９８４）の第１７項〜第２６項に記載されているものである。なお、この加速管２１において前述の加速管１に対応する部分には、同一の参照符号を付してその説明を省略する。この加速管２１では、ドリフトチューブ６，８に対するインダクタ２３，２４は、渦巻状に形成されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように構成される加速管１，２１において、前記インダクタポール１４，１５およびインダクタ２３，２４は、１／４波長共振器と称され、加速管の共振波長λの１／４付近の長さに形成される。したがって、たとえば共振周波数が１００（ＭＨｚ）の場合で、長さが７５ｃｍとなる。一方、前記イオン注入装置で用いるような、Ｂ，Ｐ，Ａｓなどの、比較的重いイオンを加速する場合には、普通、加速管の共振周波数を１０〜５０（ＭＨｚ）にとる。
【００１３】
したがって、共振周波数を、たとえば１０（ＭＨｚ）とすると、前記インダクタポール１４，１５およびインダクタ２３，２４の長さは、７．５（ｍ）にも及んでしまう。この場合、前記加速管１のような構造では、タンク１３の高さが１０（ｍ）近くにもなり、現実的ではない。
【００１４】
この点、前記加速管２１では、インダクタ２３，２４の巻数を多く取ることによって、タンク２２の容量を小さくすることができる。しかしながら、前記巻数を多く取ると、インダクタ２３，２４の剛性が不足してしまう。一方、該インダクタ２３，２４は、注入される高周波電力の多くを消費するので、二重筒構造とされて、該筒内には数〜数十（リットル／分）の大流量の冷媒が流れている。したがって、前記巻数を多く取ると、ドリフトチューブ６，８を支持する該インダクタ２３，２４の機械的強度が不足し、前記ドリフトチューブ６，８をビーム進行軸上に正確に位置決めすることができず、場合によっては振動が発生し、共振周波数を一定に保持することができなくなり、加速管２１の安定稼動に支障をきたしてしまう。
【００１５】
また、インダクタ２３，２４の巻数を多くすると、該インダクタ２３，２４にドリフトチューブ６，８を固着するにあたって、その取付部付近に充分な作業スペースを確保することができず、作業性が悪いという問題もある。以上のことから、加速管２１では、インダクタ２３，２４に機械的な精度および強度が要求され、該インダクタ２３，２４の巻数をあまり多くすることができず、タンク２２の容量を小さくすることができない。
【００１６】
さらにまた、加速管には、シャントインピーダンスＲ0 と呼ばれる励振電圧を評価するパラメータが定義されており、該パラメータを用いて、３ギャップの加速管のトータルの励振電圧は、下式で表される。
【００１７】
４Ｖ＝｛２※Ｐ※Ｒ0 ｝1/2 …（３）
ただし、Ｐは投入パワーを表す。
【００１８】
したがって、シャントインピーダンスＲ0 は、加速管のエネルギゲインを決定するパラメータであり、該シャントインピーダンスＲ0 が高くなる程、加速管当りのエネルギゲイン、したがって投入パワー当りのエネルギゲインである電力効率を大きくすることができる。このシャントインピーダンスＲ0 は、インダクタの形状およびタンク内での位置等によって決定され、電力効率の向上のために、高くすることが望まれる。
【００１９】
本発明の目的は、インダクタのタンク容量を縮小することができるとともに、安定動作および電力効率の向上を図ることができる高周波型加速管を提供することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る高周波型加速管は、加速室内に３つの加速ギャップを有し、その加速ギャップを構成する２つのドリフトチューブにそれぞれ関連する共振用のインダクタがタンク内に設けられる高周波型加速管において、前記各インダクタは、冷却水を通過させることができる管体から成り、タンク底面から立設される第１の直線部と、前記第１の直線部に連なるコイル部と、前記コイル部と前記ドリフトチューブとの間を接続する第２の直線部とを有し、前記第２の直線部が絶縁部材によってタンク内壁に保持固定され、前記コイル部は、その巻径と管体の外径との比が９〜１３に形成されることを特徴とする。
【００２１】
上記の構成によれば、比較的大きなエネルギゲインを得ることができ、かつ比較的緩やかなＴＴＦ変化で種々のイオン種および入射エネルギに対応することができる３ギャップの高周波型加速管において、比較的重いイオンを加速するにあったって、共振周波数が低いために長くなってしまう共振用のインダクタにコイル部を形成し、タンク容量の縮小を図るとともに、ドリフトチューブとインダクタとの接続にあたって、組立作業性を向上するために、ドリフトチューブの周囲に広い作業スペースを確保する。
【００２２】
このとき、前記インダクタでは、前記コイル部に連なる第１の直線部がタンク底面に保持固定され、前記コイル部と前記ドリフトチューブとの間を接続する第２の直線部が絶縁部材によってタンク内壁に保持固定され、かつコイル部の巻径と管体の外径との比が９〜１３に形成され、必要な機械的強度と冷却能力とが確保される。これによって、共振周波数にずれを生じることがなく、安定動作および電力効率の向上を図ることができる。
【００２３】
また、インダクタのコイル部の巻径と管体の外径との比が前記９〜１３に形成されることによって、シャントインピーダンスＲ0 を比較的高く設定することができ、これによってもまた、電力効率の向上を図ることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態について、図１〜図６に基づいて説明すれば、以下のとおりである。
【００２５】
図１は本発明の実施の一形態の加速管３１の構造を示す縦断面図であり、図２は図１の切断面線Ａ−Ａから見た断面図である。この加速管３１は、３つの加速ギャップ３２，３３，３４を備える直線型の加速管であり、大略的に、前記加速ギャップ３２，３３，３４を形成するグランド電極３５、ドリフトチューブ３６、ドリフトチューブ３７およびグランド電極３８を備える加速室４１と、共振用のインダクタ３９，４０を備えるタンク４５とから構成されている。
【００２６】
この加速管３１では、高周波電圧が印加される２つのドリフトチューブ３６，３７にそれぞれ接続されるインダクタ３９，４０がＬとなり、前記加速ギャップ３２，３３，３４と各部の分布容量がＣとなり、立体的な共振回路を形成している。
【００２７】
前記加速室４１およびタンク４５は、銅、アルミ、銀、またはそれらがメッキ処理された非磁性材料などの導電性の高い材料によって形成されている。ただし、前記メッキ処理された材料の場合には、メッキ厚さを、材質と周波数とによって決定される表皮厚さよりも充分厚くすることは言うまでもない。後述するインダクタ３９，４０以外の比較的パワー損失の小さい残余の部分も、このような材料によって形成されている。
【００２８】
加速室４１の孔４２から入射されたイオン４３は、大地電位である該加速室４１の壁面に接続されたグランド電極３５とドリフトチューブ３６との間の第１の加速ギャップ３２と、ドリフトチューブ３６，３７間の第２の加速ギャップ３３と、ドリフトチューブ３７と加速室４１の壁面に接続されたグランド電極３８との間の第３の加速ギャップ３４とで順次加速された後、孔４４から出射される。加速室４１内は、イオン４３のビーム損失の低減および放電防止のために、高真空に保たれている。
【００２９】
前記ドリフトチューブ３６，３７には、それぞれ共振用のインダクタ３９，４０の一端側の直線部３９ａ，４０ａが接続されており、このインダクタ３９，４０の他端側の直線部３９ｂ，４０ｂは、タンク４５の底面に接続されている。このインダクタ３９，４０のタンク４５の底面側での間隔Ｌ１は、前記シャントインピーダンスＲ0 が低下しないような距離に選ばれ、ドリフトチューブ３６，３７側での間隔Ｌ２は、加速ギャップ３２，３３，３４間の間隔Ｌ３に等しく、最も効率良く加速すべきイオンの速度に合わせて設定され、したがってこれらの間隔Ｌ１，Ｌ２は、必ずしも等しくなる必要はない。
【００３０】
前記インダクタ３９，４０における前記両端の直線部３９ａ，３９ｂ；４０ａ，４０ｂ以外の部分は、コイル状に巻回されてコイル部３９ｃ，４０ｃを形成しており、前記λ／４共振器に必要となるインダクタ長さに対して、該コイル部３９ｃ，４０ｃの長さは大幅に短く、したがってタンク４５の高さＨが充分小さくなっている。前記２つのコイル部３９ｃ，４０ｃの巻回方向は、相互に同一方向と、相互に異なる方向とのいずれであってもよい。このインダクタ３９，４０は、後に詳述するように二重筒構造とされており、該筒内には、純水やフレオンなどの外部から供給される冷媒が循環されている。
【００３１】
前記インダクタ３９，４０の遊端側となる前記直線部３９ａ，４０ａは、絶縁板４６，４７によって、それぞれタンク４５の内壁に保持固定されており、これによって前記ドリフトチューブ３６，３７の中心は、ビーム軸上に正確に位置決めされて、安定して保持される。前記絶縁板４６，４７は、高周波電界の高い箇所に配置されるので、発熱、すなわちパワー損失が発生する。したがって、これを抑えるために、誘電正接が充分低い材料、たとえば高純度アルミナや高周波用セラミック等から形成される。
【００３２】
高周波電力の導入は、電磁結合または容量結合の何れであってもよく、図１は、容量結合の例を示している。前記高周波電力は、高周波電源から、特性インピーダンスがたとえば５０Ωで、参照符４８で示す同軸管またはケーブル（図１の例では同軸ケーブル）によってタンク４５内に導入され、ループ型またはプレート型（図１の例ではプレート型）の結合器４９に与えられている。結合器４９はインダクタ３９の直線部３９ａに臨み、該結合器４９とインダクタ３９との間の静電容量を調整することによって、同軸ケーブル４８とインダクタ３９とはインピーダンス結合され、反射電力が最小な条件で前記高周波電力が導入される。
【００３３】
高周波電力が導入されると、図２で示すように、インダクタ３９，４０が相互に逆極性、すなわち位相が１８０°ずれた高周波の励振電圧Ｖで励振し、加速電界Ｅが発生する。加速の原理は、たとえば前記特開平１０−１２５２７２号公報の第０００９〜００１８段落に記載されている。加速管３１が励振すると、内部が発熱し、共振周波数がシフトしてしまうので、これを補償するために、前記ループ型またはプレート型（図１の例ではプレート型）のチューナ５０が、インダクタ４０の直線部４０ａに臨んで設けられている。
【００３４】
上述のように構成される加速管３１において、本発明では、前記インダクタ３９，４０は、以下に詳述するように形成される。
【００３５】
まず、シャントインピーダンスＲ0 について検討する。加速管のエネルギゲインをできるだけ大きくするためには、前述のようにシャントインピーダンスＲ0 をできるだけ高くする必要がある。このシャントインピーダンスＲ0 は、
Ｒ0 ＝Ｑ0 ※（Ｒ0 ／Ｑ0 ） …（４）
で表すことができる。
【００３６】
ここで、Ｑ0 は、無負荷Ｑ値と称され、加速管内のパワー損失が少い程、高くなる。また、（Ｒ0 ／Ｑ0 ）は、加速管の特性インピーダンスであり、該加速管の構造によって決定される。前記Ｑ値は、上述のような導電性の良好な材料や、誘電正接の小さい絶縁部材を使用することで改善することができる。また、一般に、加速管内で発生する磁界成分を導電物が遮ると、その部分で電流が流れ、前記Ｑ値が低下するので、この点に関しても注意を要する。一方、前記（Ｒ0 ／Ｑ0 ）は、ほぼインダクタの形状によって決定される。そこで、本件発明者は３次元動電磁場解析を行い、その解析結果に基づいて、インダクタ３９，４０の最適形状を求めている。
【００３７】
前記３次元動電磁場解析によるインダクタ周りの磁場分布を図３に示す。なおこの例では、インダクタ３９，４０のコイル部３９ｃ，４０ｃの巻回方向は、相互に同一方向としており、また結合器４９およびチューナ５０ならびに絶縁板４６，４７は省略している。
【００３８】
この図３から明らかなように、インダクタ３９，４０が相互に逆極性の励振電圧Ｖで励振しているので、磁場の流れは、参照符６０で示すように、コイル部３９ｃ，４０ｃ内を貫く大きなループ状となっている。インダクタ３９，４０の巻回方向が相互に逆方向であれば、磁場の流れは、コイル部３９ｃ，４０ｃの内周から外周をそれぞれ周る小さなループ状となる。
【００３９】
前記コイル部３９ｃ，４０ｃがタンク４５の底面側に近付くと、前記磁場ループが該タンク４５の底面に接触するようになり、また加速室４１側に近付くと、前記加速室４１がタンク４５に比べて比較的小さい場合には、前記磁場ループがタンク４５の上面に接触するようになる。これによって、磁場が遮断されると、前述のようにＱ値の低下を招き、シャントインピーダンスＲ0 が低下してしまう。たとえば、前記シャントインピーダンスＲ0 は、図１〜図３の構造では、１１．３５（ＭΩ）であったのが、インダクタ３９，４０間に導電板を挿入して前記磁場ループ６０を遮断すると、１０．７７（ＭΩ）となり、約５（％）低下してしまう。
【００４０】
したがって、タンク高さＨを極力低くすることができる範囲内で、前記コイル部３９ｃ，４０ｃを前記直線部３９ａ，３９ｂ；４０ａ，４０ｂでそれぞれ支持して、タンク４５の中央部付近に配置し、磁場ループ６０の乱れを極力小さくなるようにしている。
【００４１】
一方、インダクタ３９，４０のチューブ径ｄと、該インダクタ３９，４０の巻径Ｄとを変化させた場合のシャントインピーダンスＲ0 の変化を、それぞれ図４（ａ）および図５（ａ）で示す。これら図４および図５の例は、共振周波数を３３（ＭＨｚ）とした場合の例である。ただし、前記巻径Ｄは、コイル部３９ｃ，４０ｃの平均の径であり、チューブ中心での径となる。
【００４２】
図４の例では、タンク４５の内径Ｌ１０を３５０（ｍｍ）とし、インダクタ間距離Ｌ１を１５０（ｍｍ）とし、前記巻径Ｄを８０（ｍｍ）としている。図４（ｂ）には、チューブ径ｄを変化させることで、巻径Ｄと該チューブ径ｄとの比率を変化させた場合におけるシャントインピーダンスＲ0 のピーク値に対する比率の変化を示している。この図４からは、チューブ径ｄが８（ｍｍ）であるときにシャントインピーダンスＲ0 が最も高く、そのピーク値に対して、許容値をたとえば９０（％）とすると、Ｄ／ｄ＝９〜１３の範囲に設定すれば良いことが理解される。
【００４３】
また図５の例では、前記タンク内径Ｌ１０を５００（ｍｍ）とし、インダクタ間距離Ｌ１を２５０（ｍｍ）とし、チューブ径ｄを１０（ｍｍ）としている。図５（ｂ）には、前記Ｄ／ｄを変化させた場合のシャントインピーダンスＲ0 の前記ピーク値に対する比率の変化を示している。この図５から、前記巻径Ｄが１００（ｍｍ）であるときが、最もシャントインピーダンスＲ0 が高いことを表しており、そのピーク値に対して、許容値を前記９０（％）とすると、Ｄ／ｄが８以上であれば良いことが理解される。
【００４４】
前記図４および図５から明らかなように、タンク内径Ｌ１０およびインダクタ間距離Ｌ１を変化させても、シャントインピーダンスＲ0 が最大になるときのＤ／ｄは、ほぼ同じになり、たとえば許容値をピーク値の９０（％）とすると、９〜１３の範囲であれば、その許容値内でのシャントインピーダンスを得ることができる。
【００４５】
次に、前記インダクタ３９，４０の加工性について検討する。これらのインダクタ３９，４０は、金、銀、銅等の導電性の良好な金属チューブ、または表面にこれらの金属のメッキ処理を施したチューブを、螺旋状に巻回して作成される。これらのインダクタ３９，４０の全長は、共振周波数（１／λ）から決定され、したがって巻数は必ずしも整数とはならない。しかしながら、該インダクタ３９，４０の取付位置は機械的に決定されており、作成誤差を考えると、コイル部３９ｃ，４０ｃの始端または終端の少くともいずれか一方（図１および図３では両方）は、巻き中心、すなわちコイル部３９ｃ，４０ｃの軸線上に戻っている必要がある。したがって、この中心に戻る始端部分または終端部分の曲げ半径が最も小さくなる。
【００４６】
通常、金属管の曲げ半径は、管の直径をＲとすると、最小でＲである。しかしながら、インダクタ３９，４０は、素材を焼き鈍して作成されるので、このような小さい曲げ半径で作成すると、曲げ部がつぶれてしまう。したがって、実際の作成には、前記曲げ半径は、少くとも１．５Ｒ以上必要となる。
【００４７】
たとえば、前記図４および図５から示されるように、Ｄ＝１００（ｍｍ）、ｄ＝１２（ｍｍ）、すなわちＤ／ｄ≒８．３とした場合のコイル部３９ｃ，４０ｃの形状を、図６に示す。前記始端または終端以外の部分は、曲げ半径Ｒ＝４４（ｍｍ）で、所定ピッチで巻回されている。これに対して、前記始端または終端部分は、Ｒ＝１９（ｍｍ）となってしまい、チューブ径ｄ＝１２（ｍｍ）のほぼ１．５倍で、曲げ半径の限界に近くなってしまう。
【００４８】
このような場合、インダクタ３９，４０の軸線方向（コイル部３９ｃ，４０ｃの軸線方向および直線部３９ａ，３９ｂ；４０ａ，４０ｂの長手方向）を加えた３次元的な曲げ加工を行うことによって、前記曲げ半径Ｒを大きく取ることができる。しかしながら、製作が複雑になり、製造コストが上昇してしまう。このため、加工性の観点からは、Ｄ／ｄ＝９以上が望ましい。
【００４９】
続いて、冷却効率について検討する。加速管に投入された電力は、ビームを加速する以外の殆どがこれらのインダクタ３９，４０で消費され、発熱を生じる。半導体の製作などに用いられる通常のイオン注入装置では、前記投入電力は数（ｋＷ）にも及び、したがって冷却が無いと、該インダクタ３９，４０は瞬時に溶損してしまう。また、冷却が不十分であると、このインダクタ３９，４０の発熱によって共振周波数のシフトが発生し、前記チューナ５０による補償範囲を超えてしまうと、加速管３１を安定稼動することができなくなってしまう。
【００５０】
このため、インダクタ３９，４０の温度変化は、最大電力の投入時で、１０（℃）程度以下となることが望ましい。このためには、高周波パワー１（ｋＷ）当り、冷却水流量が１（リットル／分）以上必要となる。
【００５１】
一方、インダクタ３９，４０は、上述のように二重筒構造となっており、前記チューブ径ｄの管体内に、往復の冷却水路を作成する必要がある。したがって、たとえば共振周波数を３３（ＭＨｚ）、投入パワーを５（ｋＷ）、したがって２本のインダクタ３９，４０の１本当りの電力消費を２．５（ｋＷ）とし、Ｄ＝１００（ｍｍ）、ｄ＝８（ｍｍ）、すなわちＤ／ｄ＝１２．５とするとき、外筒の外径は前記８（ｍｍ）となり、たとえば肉厚を０．５（ｍｍ）とし、内筒の外径を５（ｍｍ）とし、肉厚を０．５（ｍｍ）とすると、２．５（リットル／分）の冷却水流量が必要となり、この場合の水圧は５（ｋｇ／ｃｍ2 ）となる。
【００５２】
この流量は、加速管の安定稼動および水圧に対する外筒の耐圧の限界値であり、さらにインダクタ３９，４０のチューブ径ｄを小さくすると、冷却水量の減少による投入可能なパワーの低下によって、加速電圧の低下を招くことになる。したがって、冷却効率の観点からは、Ｄ／ｄ＝１３以下であることが望ましい。
【００５３】
最後に、ドリフトチューブ３６，３７の中心を、ビーム軸上に、正確に、かつ安定して位置決めするためには、前記冷却水の流れなどによる振動を抑制することが必要であり、前記Ｄ／ｄは、小さい方が良い。
【００５４】
以上のような検討結果をまとめると、表１のようになり、Ｄ／ｄを９〜１３とすることによって、必要な冷却効率および機械的強度を確保しつつ、シャントインピーダンスＲ0 を高くし、電力効率を高めることができるとともに、良好な加工性を得ることもできる。
【００５５】
【表１】
なお、その他のパラメータである、たとえばタンク内径Ｌ１０は、３次元動電磁場解析の結果によれば、該内径Ｌ１０の１／２乗に比例してシャントインピーダンスＲ0 の改善が可能であることが確認されており、加速管に要求されるシャントインピーダンスＲ0 と設置スペースおよび真空ポンプの排気容量などとに対応して決定される。
【００５７】
また、インダクタ間距離Ｌ１は、ドリフトチューブ３６，３７、グランド電極３５，３８、結合器４９およびチューナ５０などの加速器３１内の残余の構造物や、放電限界距離との関係によって決定される。前記導電磁場解析の結果によれば、該インダクタ間距離Ｌ１を変化しても、シャントインピーダンスＲ0 を大幅に改善することはできない。しかしながら、あまり小さくしすぎると、インダクタ３９，４０間での静電容量が増加し、シャントインピーダンスＲ0 の低下を招く。したがって、該距離Ｌ１は、前記巻径Ｄの１．５倍以上あればよい。
【００５８】
さらにまた、一般に加速管の特性インピーダンス（Ｒ0 ／Ｑ０）は、Ｃが小さく、Ｌが大きい程高くなる。したがって、同じインダクタンス長であっても、コイル部３９ｃ，４０ｃの巻きピッチを小さくする程、すなわち該コイル部３９ｃ，４０ｃの高さを小さくする程、シャントインピーダンスＲ0 が向上するのは明らかである。
【００５９】
タンク４５の形状は、円筒形と四角筒形とのいずれであってもよく、またインダクタ３９，４０の配列方向は、図７の加速管７１で示すように、ビーム進行軸方向と交差する方向であってもよい。
【００６０】
【発明の効果】
本発明に係る高周波型加速管は、以上のように、比較的大きなエネルギゲインを得ることができ、かつ比較的緩やかなＴＴＦ変化で種々のイオン種および入射エネルギに対応することができる３ギャップの高周波型加速管において、比較的重いイオンに対応して長くなる共振用のインダクタに、コイル部を形成する。
【００６１】
それゆえ、タンク容量の縮小を図ることができるとともに、ドリフトチューブとインダクタとの接続にあたって、ドリフトチューブの周囲に広い作業スペースを確保することができ、組立作業性を向上することができる。
【００６２】
またこのとき、前記インダクタを、そのコイル部に連なる第１の直線部をタンク底面に保持固定し、前記コイル部と前記ドリフトチューブとの間を接続する第２の直線部を絶縁部材によってタンク内壁に保持固定し、かつコイル部の巻径と管体の外径との比を９〜１３に形成し、必要な機械的強度と冷却能力とを確保する。
【００６３】
それゆえ、共振周波数にずれを生じることがなく、安定動作および電力効率の向上を図ることができる。
【００６４】
さらにまた、インダクタのコイル部の巻径と管体の外径との比を前記９〜１３に形成することによって、シャントインピーダンスＲ0 を比較的高く設定することができ、これによってもまた、電力効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態の加速管の構造を示す縦断面図である。
【図２】図１の切断面線Ａ−Ａから見た断面図である。
【図３】図１および図２で示す加速管における動電磁場解析結果を示す縦断面図である。
【図４】図１で示す加速管におけるインダクタのチューブ径を変化させた場合のシャントインピーダンスの変化を示すグラフである。
【図５】図１で示す加速管におけるインダクタの巻き径を変化させた場合のシャントインピーダンスの変化を示すグラフである。
【図６】前記インダクタの加工性を説明するための図である。
【図７】本発明の実施の他の形態の加速管の構造を示す透視斜視面図である。
【図８】各種のギャップ数での加速管へのイオンの入射速度の変化に対する加減速効率の変化を示すグラフである。
【図９】典型的な従来技術の加速管の構造を示す縦断面図である。
【図１０】他の従来技術の加速管の構造を説明するための一部を切欠いて示す斜視図である。
【符号の説明】
３１，７１ 加速管
３２，３３，３４ 加速ギャップ
３５，３８ グランド電極
３６，３７ ドリフトチューブ
３９，４０ インダクタ
３９ａ，４０ａ 直線部（第２の直線部）
３９ｂ，４０ｂ 直線部（第１の直線部）
３９ｃ，４０ｃ コイル部
４１ 加速部
４３ イオン
４５ タンク
４６，４７ 絶縁板
４８ 同軸ケーブル
４９ 結合器
５０ チューナ
Ｄ 巻径
ｄ チューブ径（管体外径）
Claims (1)
- 加速室内に３つの加速ギャップを有し、その加速ギャップを構成する２つのドリフトチューブにそれぞれ関連する共振用のインダクタがタンク内に設けられる高周波型加速管において、
前記各インダクタは、冷却水を通過させることができる管体から成り、タンク底面から立設される第１の直線部と、前記第１の直線部に連なるコイル部と、前記コイル部と前記ドリフトチューブとの間を接続する第２の直線部とを有し、
前記第２の直線部が絶縁部材によってタンク内壁に保持固定され、
前記コイル部は、その巻径と管体の外径との比が９〜１３に形成されることを特徴とする高周波型加速管。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16254198A JP4038883B2 (ja) | 1998-06-10 | 1998-06-10 | 高周波型加速管 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16254198A JP4038883B2 (ja) | 1998-06-10 | 1998-06-10 | 高周波型加速管 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11354298A JPH11354298A (ja) | 1999-12-24 |
| JP4038883B2 true JP4038883B2 (ja) | 2008-01-30 |
Family
ID=15756574
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16254198A Expired - Fee Related JP4038883B2 (ja) | 1998-06-10 | 1998-06-10 | 高周波型加速管 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4038883B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6653803B1 (en) * | 2000-05-30 | 2003-11-25 | Axcelis Technologies, Inc. | Integrated resonator and amplifier system |
| CN103298237A (zh) * | 2013-06-13 | 2013-09-11 | 无锡爱邦辐射技术有限公司 | 双加速管加速器 |
| US11856685B2 (en) * | 2021-09-20 | 2023-12-26 | Applied Materials, Inc. | Stiffened RF LINAC coil inductor with internal support structure |
| US11895766B2 (en) * | 2021-10-15 | 2024-02-06 | Applied Materials, Inc. | Linear accelerator assembly including flexible high-voltage connection |
-
1998
- 1998-06-10 JP JP16254198A patent/JP4038883B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11354298A (ja) | 1999-12-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4986317B2 (ja) | イオン注入装置およびイオン注入方法 | |
| JP2866815B2 (ja) | 変動する磁極を用いた平坦プラズマ発生装置 | |
| KR19990028399A (ko) | 유도 결합 플라즈마 소스를 위한 저 인덕턴스 대면적 코일 | |
| TWI766477B (zh) | 共振器、離子注入機的共振器 | |
| KR20010096474A (ko) | 플라즈마 에칭 장치 | |
| EP0514585A2 (en) | Charged particle accelerator | |
| KR100753868B1 (ko) | 복합형 플라즈마 반응기 | |
| JP4874488B2 (ja) | 高周波整合ネットワーク | |
| WO2023043567A1 (en) | Stiffened rf linac coil inductor with internal support structure | |
| JP4038883B2 (ja) | 高周波型加速管 | |
| EP0357451B1 (en) | A discharge tube arrangement | |
| US4677637A (en) | TE laser amplifier | |
| US7638766B1 (en) | Compact quadrupole mass spectrometer | |
| JP5307689B2 (ja) | ドリフトチューブ線形加速器 | |
| JP2835951B2 (ja) | エネルギー可変型ｒｆｑ加速装置およびイオン打込み装置 | |
| US6759639B2 (en) | Magnetron for microwave ovens | |
| US20070200506A1 (en) | Microwave tube | |
| FI79924C (fi) | Hoegfrekvent jonaccelerator. | |
| JPH11224800A (ja) | 荷電粒子加速管 | |
| JPH02106900A (ja) | インダクタンス可変式四重極粒子加速器及びこれに使用する高周波共振器 | |
| CA2071209A1 (en) | Sectorally focused cyclotrons | |
| Devanz et al. | Quarter-wave cavities for the Spiral 2 project | |
| WO2023244714A1 (en) | Rf coil resonator systems and methods | |
| Yu et al. | Design of flat-field, high-aspect ratio rf structures | |
| JPH0787118B2 (ja) | 四重極粒子加速器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20041207 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20071005 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20071016 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20071029 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101116 Year of fee payment: 3 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |