JP5877936B1 - イオン照射装置、イオン照射方法 - Google Patents

Abstract

イオン源からイオン加速装置（１６）に入射し、イオン加速管（２４）内を飛行する正イオンを、イオン加速管（２４）の内部に配置した複数の加速電極（２ａ〜２ｈ）によって加速して、照射対象物に照射する。イオン加速管（２４）内には、磁石装置（５）を複数配置し、各磁石装置（５）がそれぞれ形成する磁力線の向きを、隣接する磁石装置（５）で０度よりも大きく、９０度以下の角度で異ならせ、各磁力線を、イオン加速管（２４）内で、一方向に回転させる。イオン加速管（２４内）で逆進する電子を磁力線と交叉させ、電子に、逆進させながら、飛行軸からの距離を増加させる。電子は、イオン加速管（２４）内の部材と衝突し、高エネルギーになる前に停止するので、高エネルギーＸ線は発生しない。

Description

本発明は、イオンを加速させる技術に関し、特に、Ｘ線を発生させずにイオンを加速させる技術に関する。

イオンを加速する技術は、イオン注入装置や質量分析装置に用いられている。図７(ａ)のイオン加速装置１１６のように、イオン加速管１２４の内部に、図６(ａ)に示す、加速電極１０２が複数個配置されている。
このイオン加速装置１１６では、飛行軌道の一端のイオンの入射側は、紙面右側であり、飛行軌道の他端のイオンの射出側は、紙面左側になっているものとする。

各加速電極１０２は、外周が円形の電極本体１４１の中央に、円形の貫通孔１４２が形成された平板であり、イオン加速管１２４内では、互いに表面を対向させ、飛行軌道の中心軸線１３０に対して垂直に、入射側から射出側に向けて、一列に配置されている。

符号１０２Ｓは、最も入射側に位置する加速電極を示しており、符号１０２Ｅは、最も射出側に位置する加速電極を示している。
入射側では、イオン発生源から供給されたイオンは、先ず、最も入射側に位置する加速電極１０２Ｓの貫通孔１４２内に入射し、途中の加速電極１０２が取り囲む飛行軌道を通過し、最も射出側に位置する加速電極１０２Ｅから照射対象物に向けて射出される。

このイオン加速装置１１６で加速するイオンは正電荷を有するイオンであり、各加速電極１０２Ｓ、１０２、１０２Ｅには、接地電位のイオン加速管１２４に対して正電圧が印加されている。
各加速電極１０２Ｓ、１０２、１０２Ｅのうち、入射側に近い加速電極１０２、１０２Ｓであるほど、射出側に位置する加速電極１０２、１０２Ｅよりも高い正電圧が印加されており、イオンが電極本体１４１で取り囲まれた飛行軌道を入射側から射出側に飛行するときには、イオンは各加速電極１０２によって形成された電界中を飛行することとなり、イオンはその電界からの力によって加速され、飛行速度が増大する。

イオン加速管１２４の内部は、真空排気されているが、飛行中のイオンのうち、一部のイオンはイオン加速管１２４内の残留気体と衝突したり、また、一部のイオンは加速電極１０２やイオン加速管１２４に衝突する場合がある。
イオンが加速電極１０２やイオン加速管１２４に衝突したときには、衝突した部分から電子が放出される。

放出された電子の電荷は負であり、正イオンとは反対の極性であるから、飛行軌道内に入射した電子には、イオンとは逆に、各加速電極１０２Ｓ、１０２、１０２Ｅに印加される電圧によって、射出側から入射側に向かう力が印加される。
この力によって電子は飛行軌道を射出側から入射側に逆進し、逆進する間に各加速電極１０２Ｓ、１０２、１０２Ｅが形成する電界によって加速され、飛行距離が長いほど、電子のエネルギーは大きくなる。

従って、射出側に近い加速電極１０２、１０２Ｅにイオンが衝突して電子が発生し、その電子が、飛行軌道を逆進して入射側に近い加速電極１０２Ｓ、１０２に衝突する場合には、その電子は長距離を飛行し多数の加速電極１０２Ｅ、１０２が形成する電界によって加速されたので、高速な電子、即ち、高エネルギーの電子になっている。そのような高エネルギー電子が加速電極１０２Ｓ、１０２やイオン加速管１２４に衝突すると、衝突した部分から、有害な高エネルギーＸ線が発生するおそれがある。

その対策として、図６(ｂ)、図７(ｂ)に示すように、図７(ａ)の加速電極１０２Ｓ、１０２、１０２Ｅに替え、イオン加速管１２４内に、磁石装置１０５が設けられた加速電極１０２ａを配置する方法がある。
この加速電極１０２ａの磁石装置１０５は、貫通孔１４２を挟む電極本体１４１上の位置に配置され、Ｎ極が貫通孔１４２方向を向くＮ極向磁石１０５Ｎと、Ｓ極が向くＳ極向磁石１０５Ｓとを有しており、一台の磁石装置１０５内では、Ｎ極向磁石１０５ＮとＳ極向磁石１０５Ｓとの間に、磁力線が形成されており、貫通孔１４２を通過する粒子は、その磁力線と交叉するようにされている。

イオン加速管１２４内に位置する複数の磁石装置１０５中のＮ極向磁石１０５Ｎは、飛行軌道の中心軸線１３０と平行な直線上に並んでおり、飛行軌道にＳ極が向けられたＳ極向磁石１０５Ｓも、飛行軌道の中心軸線１３０と平行な直線上に並んでおり、飛行軌道を飛行する電子に対し、同じ方向のローレンツ力が印加され、質量電荷比(質量／電荷)が小さい電子は、飛行方向が大きく曲げられ、長距離を飛行して高速に加速される前に、電子は加速電極１０２ａやイオン加速管１２４に衝突する。従って、高エネルギーの電子にならず、高エネルギーＸ線は発生しないようになっている。

特開平６−５２３９号公報 実開平３−１１８６００号公報

近年高エネルギーのイオン照射が求められており、加速電極１０２ａの間の電位差を大きくし、強電界によって高エネルギーのイオンが生成されている。
しかしながらその場合には、電位差が大きすぎると、逆進する電子が強く加速され、高エネルギーＸ線が放出されるようになってしまう。

その対策として、Ｎ極向磁石１０５ＮとＳ極向磁石１０５Ｓとに、磁力が大きい磁石を用い、電子を大きく曲げて高エネルギーＸ線の放出を減少させることができるが、高エネルギーかつ大電流のイオンの生成に伴って、高エネルギーイオンの一部が加速電極１０２ａに衝突し、加速電極１０２ａを加熱させてしまうので、イオン加速装置２１６の運転時間が長くなると、Ｎ極向磁石１０５ＮとＳ極向磁石１０５Ｓとが加速電極１０２ａによって加熱される時間が長くなり、磁力が弱くなってしまい、高エネルギーＸ線が放出されてしまう。

本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、永久磁石の磁力を増大させずに、高エネルギーＸ線の発生を防止する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、正イオンを発生させるイオン源と、前記イオン源から供給され、入射側に入射する前記正イオンを、一列に並べられた加速電極によって加速させながら飛行軌道を飛行させ、射出側から射出させるイオン加速装置と、を有し、前記加速された前記正イオンを照射対象物に照射するイオン照射装置であって、前記イオン加速装置は、前記飛行軌道にＮ極表面が向けられたＮ極向磁石と、前記飛行軌道にＳ極表面が向けられたＳ極向磁石との組から成る複数の磁石装置を有し、各前記磁石装置は、前記Ｎ極向磁石の前記Ｎ極表面と、前記Ｓ極向磁石の前記Ｓ極表面とは、前記飛行軌道を間に挟んで対面され、前記Ｎ極向磁石の前記Ｎ極表面の中心から、前記Ｓ極向磁石の前記Ｓ極表面の中心に向かう方向ベクトルは、前記飛行軌道の中心軸線と垂直にされ、一台の前記磁石装置、又は、前記方向ベクトルが離間して同じ方向を向く隣接する二台以上の前記磁石装置を有する軌道修正装置が構成され、前記軌道修正装置が、前記飛行軌道に沿って配置され、一列に並ぶ複数の前記軌道修正装置のうち、隣接する二台の前記軌道修正装置の前記方向ベクトルは、向きが０度よりも大きく９０度以下の回転角度だけ異なり、左回転又は右回転を回転方向とすると、前記入射側から前記射出側に並ぶ前記軌道修正装置の前記方向ベクトルは左回転と右回転のいずれか一方の同じ回転方向に回転するように各前記軌道修正装置が配置されたイオン照射装置である。
本発明は、隣接する二台の前記軌道修正装置の前記回転角度は等しくされたイオン照射装置である。
本発明は、前記回転角度は４５度に設定され、各前記軌道修正装置は、前記磁石装置を一台ずつそれぞれ有するイオン照射装置である。
本発明は、前記回転角度は９０度に設定され、各前記軌道修正装置は、前記磁石装置を一台ずつそれぞれ有するイオン照射装置である。
本発明は、前記回転角度は９０度に設定され、各前記軌道修正装置は、前記磁石装置を二台ずつそれぞれ有するイオン照射装置である。
本発明において、各前記磁石装置は、異なる前記加速電極にそれぞれ設けられたイオン照射装置である。
本発明は、複数の加速電極が配置されたイオン加速管の内部に、イオン源で生成した正イオンを前記イオン加速管の入射側から入射させ、前記正イオンを前記イオン加速管内で飛行軌道を飛行させながら前記加速電極によって加速させ、前記イオン加速管の射出側から射出し、照射対象物に照射するイオン照射方法であって、磁石装置を、前記入射側と前記射出側の間に一台ずつ順番に並べ、各前記磁石装置が有するＮ極向磁石のＮ極面と、Ｓ極向磁石のＳ極面とを対面させ、前記Ｎ極面と前記Ｓ極面との間に前記飛行軌道と交叉する磁力線をそれぞれ形成し、前記イオン加速管内で発生し、前記イオン加速管内を前記射出側から前記入射側に向かう方向に走行する電子を前記磁力線と交叉させてローレンツ力を発生させ、前記電子に前記ローレンツ力による回転力を印加し、前記電子に、前記イオン加速管内で、前記射出側から前記入射側に向かう方向に走行させながら、前記飛行軌道の中心軸線である飛行軸線からの距離を増加させ、前記電子を前記イオン加速管内の部材に衝突させて停止させるイオン照射方法において、前記磁石装置の前記Ｎ極面の中心から前記Ｓ極面の中心に向かう方向ベクトルの方向を、隣接する二台の前記磁石装置間では、０度よりも大きく９０度以下の角度で異ならせ、隣接する前記磁石装置が形成する前記磁力線を、前記入射側と前記射出側との間で一方向に回転させるイオン照射方法である。
本発明は、前記飛行軌道にＮ極表面が向けられたＮ極向磁石と、前記飛行軌道にＳ極表面が向けられたＳ極向磁石との組から成る複数の磁石装置の、前記Ｎ極向磁石の前記Ｎ極表面と、前記Ｓ極向磁石の前記Ｓ極表面とを、前記飛行軌道を間に挟んで対面して配置し、前記Ｎ極向磁石の前記Ｎ極表面の中心から、前記Ｓ極向磁石の前記Ｓ極表面の中心に向かう方向ベクトルを、前記飛行軌道の中心軸線と垂直になるようにし、一台の前記磁石装置、又は、前記方向ベクトルが離間して同じ方向を向く隣接する二台以上の前記磁石装置を有する軌道修正装置を、前記飛行軌道に沿って配置し、一列に並ぶ複数の前記軌道修正装置のうち、隣接する二台の前記軌道修正装置の前記方向ベクトルは、０度よりも大きく９０度以下の所定の回転角度だけ向きを異ならせ、左回転と右回転とを回転方向とすると、前記入射側から前記射出側に並ぶ前記軌道修正装置の前記方向ベクトルは左回転又は右回転のいずれか一方の同じ回転方向に回転するように各前記軌道修正装置を配置するイオン照射方法である。
本発明は、前記各軌道修正装置の前記回転角度を等しくするイオン照射方法である。
本発明は、前記回転角度を４５度にし、各前記軌道修正装置には、前記磁石装置を一台ずつそれぞれ設けるイオン照射方法である。
本発明は、前記回転角度を９０度にし、各前記軌道修正装置には、前記磁石装置を一台ずつそれぞれ設けるイオン照射方法である。
本発明は、前記回転角度は９０度にし、各前記軌道修正装置には、前記磁石装置を二台ずつそれぞれ設けるイオン照射方法である。

一列に並ぶ軌道修正装置が形成する磁力線は、一定の回転方向に回転しており、射出側で発生した電子は、射出側から入射側に向かって逆進する間にローレンツ力による回転力が印加され、飛行軌道の中心軸線である飛行軸線からの距離を増加させながら逆進するため、逆進する電子は飛行軌道から外れ易い。従って長距離を逆進する前に、加速電極や加速管に衝突する。逆進する電子は飛行速度が遅いうちに衝突するので、高エネルギーＸ線は発生しない。

本発明のイオン照射装置を説明するための図 (ａ)〜(ｈ)：そのイオン照射装置に用いることができる加速電極の例 軌道修正装置が一台の加速電極から成り、隣接する軌道修正装置の方向ベクトルが４５度で右回転するイオン加速管の例 軌道修正装置が一台の加速電極から成り、隣接する軌道修正装置の方向ベクトルが９０度で右回転するイオン加速管の例 軌道修正装置が二台の加速電極から成り、隣接する軌道修正装置の方向ベクトルが９０度で右回転するイオン加速管の例 (ａ)、(ｂ)：従来技術の加速電極の例 (ａ)、(ｂ)：その加速電極を用いた従来技術のイオン加速装置

図１の符号１０は、本発明のイオン照射装置の一例を示している。
イオン照射装置１０には、イオン注入装置や、測定装置等、正イオンを加速させて照射対象物に照射する装置が含まれる。

このイオン照射装置１０は、真空槽１１を有しており、真空槽１１内は、真空排気装置２８によって真空排気され、真空雰囲気に置かれている。
真空槽１１の内部には、正イオンを生成するイオン源１３と、イオン源１３で生成された正イオンを引き出すイオン引出部２１と、イオン引出部２１で引き出された正イオンを質量分析し、所望の質量電荷比の正イオンを通過させる質量分析装置１５とを有している。

質量分析装置１５で分析された正イオンの流れは、質量分析装置１５の下流側に配置されたイオン加速装置１６に供給されている。
質量分析装置１５から供給された正イオンは、イオン加速装置１６の内部で加速され、飛行方向変更装置１７に設けられ、管５３の外部又は内部に配置された磁力フィルタ５２と電界フィルタ５１によって、正イオンの飛行方向が曲げられ、その飛行方向の延長線上に位置する照射対象物５６に正イオンが照射される。

飛行方向変更装置１７の内部に入射した中性粒子は、磁力フィルタ５２と電界フィルタ５１では飛行方向は曲げられず、直進して照射対象物５６には照射されない。
図１の符号３１は正イオンの飛行方向を示し、符号３２は、中性粒子の飛行方向を示している。

イオン加速装置１６を説明すると、このイオン加速装置１６は、正イオンが通過するイオン加速管２４を有しており、その内部には、複数の加速電極２が配置されている。
図２(ａ)〜(ｈ)に示した符号２ａ〜２ｈは、イオン加速管２４内に位置する複数の加速電極２であり、構造は同じなので、符号２を用いて構造を説明する。
各加速電極２は、平板で外周円形で円環形状の電極本体４１と、電極本体４１の中央位置に形成された円形の貫通孔４２とを有しており、各加速電極２の電極本体４１には、それぞれ一台の磁石装置５が設けられている。

一台の磁石装置５は、Ｎ極向磁石５ＮとＳ極向磁石５Ｓとを有している。
一台の磁石装置５のＮ極向磁石５ＮとＳ極向磁石５Ｓとは、同じ電極本体４１の同じ片面側に配置され、Ｎ極向磁石５ＮとＳ極向磁石５Ｓとの中央に貫通孔４２が位置するように、電極本体４１の互いに反対側の位置に固定されており、Ｎ極向磁石５ＮのＮ極が配置された面であるＮ極面８Ｎと、Ｓ極向磁石５ＳのＳ極が配置された面であるＳ極面８Ｓとは、対面して配置されている。

従って、Ｎ極面８ＮとＳ極面８Ｓとは、それぞれ貫通孔４２上方付近の位置に向けられており、Ｎ極面８ＮとＳ極面８Ｓの間に形成される磁力線は、貫通孔４２の表面と平行で、貫通孔４２の表面上に位置している。
ここでは、Ｎ極向磁石５Ｎの長さとＳ極向磁石５Ｓの長さは、貫通孔４２の直径と同程度にされ、貫通孔４２を通過する粒子は、Ｎ極面８ＮとＳ極面８Ｓの間に形成される磁力線と交叉するようにされている。

イオン加速管２４内に配置された複数の加速電極２は、その電極本体４１が互いに平行にされ、貫通孔４２の中心点が、イオン加速管２４内で一直線に並ぶように配置されており、イオン加速管２４内に配置された複数の加速電極２の貫通孔４２を貫通するように形成された円筒状の空間が、正イオンや電子が通過する飛行軌道になるようにされている。

各加速電極２の貫通孔４２の中心は、飛行軌道の中心軸線である飛行軸線３０上に一列に並んで配置されており、電極本体４１は、飛行軌道の飛行軸線３０に対して垂直にされている。
従って、各加速電極２の電極本体４１によって、飛行軌道は取り囲まれており、各加速電極２には、イオン加速管２４の電位に対して正電圧が印加されている。

イオン加速管２４の両端のうち、イオン加速管２４に正イオンが入射する方を入射側、正イオンが射出される方を射出側とすると、イオン加速管２４内の各加速電極２の電位は、入射側に位置する加速電極２が、その加速電極２よりも射出側に位置する他の加速電極２よりも高い電位に置かれており、イオン加速管２４の内部には、各加速電極２によって電界が形成されている。

従って、飛行軌道の入射側に質量分析装置１５から入射した正イオンは、各加速電極２が形成する電界により、射出側に向かって加速され、各加速電極２を通過するに従って飛行速度が速くなる。

図３に示したイオン加速装置１６のイオン加速管２４の内部に配置された複数の加速電極２のうち、入射側から射出側に向かって一台ずつ順番に配置された所定枚数の加速電極２を加速電極組とすると、この例のイオン加速管２４の内部には、一組以上の加速電極組が配置されている。図２(ａ)〜(ｈ)には、一組の加速電極組に含まれる加速電極２ａ〜２ｈが示されている。
これら加速電極２ａ〜２ｈは、互いに同じ構造であり、各加速電極２ａ〜２ｈ間では、Ｎ極向磁石５ＮとＳ極向磁石５Ｓとの相対的な位置だけが異なっており、最初の符号２ａの加速電極を射出側とし、最後の符号２ｈの加速電極を入射側とし、一台ずつ順番に並べられている。

ここでは、各加速電極２ａ〜２ｈの貫通孔４２の中心軸線と、Ｎ極向磁石５Ｎと、Ｓ極向磁石５Ｓとを通る直線は、隣接する加速電極２ａ〜２ｈ間で、所定角度だけ回転するようにされている。回転は、射出側から入射側に向けて、同一方向である。

イオン加速管２４の内部に複数の加速電極組の加速電極２が配置される場合は、隣接する加速電極組のうち、イオンの射出側に位置する加速電極組の最も入射側に近い加速電極２ｈの入射側には、入射側の加速電極組の最も射出側に近い加速電極２ａが配置される。

図２(ａ)〜(ｈ)の符号３７は、Ｎ極面８Ｎの中心から、Ｓ極面８Ｓの中心に向かう方向の方向ベクトルであり、一台の磁石装置５のＮ極面８ＮとＳ極面８Ｓとの間に形成される磁力線の方向を示している。各加速電極２ａ〜２ｈは平行であるから、各加速電極２ａ〜２ｈの方向ベクトルが位置する平面は平行である。

ここで、飛行軌道の飛行軸線３０が水平にされており、各加速電極２ａ〜２ｈは、電極本体４１がそれぞれ鉛直に配置されているものとし、Ｎ極向磁石５ＮとＳ極向磁石５Ｓとの位置を、Ｎ極面８Ｎの中心位置とＳ極面８Ｓの中心位置とで代表させ、その中心位置を、壁掛け時計の文字盤の位置として特定してＮ極向磁石５ＮとＳ極向磁石５Ｓとの位置を表すものとする。

その場合、各加速電極２ａ〜２ｈの方向ベクトル３７の始点を貫通孔４２の中心に移動させて時計の時針であるとすると、時針はＳ極面８Ｓの中心が位置する時刻を指すことになる。
特に、図２(ａ)の加速電極２ａでは、Ｎ極面８Ｎの中心は６時に位置し、Ｓ極面８Ｓの中心は１２時(０時)に位置し、方向ベクトルは、０時(１２時)を指しているものとして、各加速電極２ａ〜２ｈの方向ベクトル３７の向きを特定すると、先ず、図２(ｂ)の加速電極２ｂでは、Ｎ極面８Ｎの中心は７時半に位置し、Ｓ極面８Ｓは１時半に位置しており、その方向ベクトル３７は、１時半を指している。

従って、二番目に配置された加速電極２ｂの方向ベクトル３７は、最初に配置された加速電極２ａの方向ベクトル３７に対し、右回り(時計回り)に４５度の角度で傾いている。
三番目以降の電極２ｃ〜２ｈについて、Ｎ極面８Ｎは、９時、１０時半、１２時(０時)、１時半、３時、４時半にそれぞれ位置し、Ｓ極面８Ｓは、３時、４時半、６時、７時半、９時、１０時半にそれぞれ位置しており、方向ベクトル３７は、３時、４時半、６時、７時半、９時、１０時半を指示している。最後に配置された加速電極２ｈの後には、最初の加速電極２ａが配置されている。

イオン加速管２４の内部の加速電極２ａ〜２ｈ、２ａのうち、隣接する加速電極２ａ〜２ｈの方向ベクトル３７は、入射側に対して出力側が１時間半進んでおり、４５度の角度で右回りに傾いている。
方向ベクトル３７を、一周の角度３６０度に均等に配置するためには、加速電極２は、一周の角度３６０度を隣接する時針間の角度(４５度)で除算した値の台数(８台)が必要となる。

このように配置された加速電極２ａ〜２ｈで取り囲まれた飛行軌跡を飛行する電子は、磁石装置５内で対向するＮ極面８ＮとＳ極面８Ｓとの間に形成された磁力線に対し、垂直に近い角度で交叉しており、電子には、飛行軸線３０と垂直な方向のローレンツ力が加わる。

図３のイオン加速装置１６では、入射側から射出側に向けて、方向ベクトル３７が右回転しており、各加速電極２a〜２ｈに設けられた磁石装置５から、飛行軌道を移動する電荷粒子(イオンや電子)に印加されるローレンツ力は、飛行軸線３０を中心とし、飛行軸線３０と直角に交叉する円の放射方向に向く力になる。そしてそのローレンツ力は、方向ベクトル３７の回転方向と同じ回転方向に、方向ベクトル３７の回転に従って回転する。

従って、方向ベクトル３７が回転する加速電極２a〜２ｈは、飛行軌道を逆進する電子に、回転半径が次第に大きくなる螺旋状に運動させるローレンツ力を印加することになり、電子はイオン加速管２４内を短距離逆進するだけで、飛行軌道から外れ、加速電極２ａ〜２ｈやイオン加速管２４表面等のイオン加速管２４の内部の部材に衝突し、停止する。
イオンの場合は、電子よりも質量が大きいので、磁石装置５のローレンツ力の影響は小さく、無視することができる。

このように、本発明のイオン照射装置１０では、電子は飛行軌道を長距離逆進せずに停止するから、高速の電子は生成されず、高エネルギーＸ線は放出されないようになっている。
また、飛行軸線３０に対して傾いた方向から入射した電子に対しても、回転力が印加され、どのような方向から入射して逆進する電子も、飛行軌道から外されやすくなっている。

イオン加速管２４内に配置された各磁石装置５の方向ベクトル３７は、上記のように右回転であってもよく、また、それとは別に、左回転(反時計回り)であってもよいが、一台のイオン加速管２４中の方向ベクトル３７の回転方向は、右回転と左回転のいずれか一方の一方向であることが望ましく、右回転と左回転が混在した場合には、飛行軌道上の磁場同士が干渉し、垂直な磁場成分が小さくなり電子の回転半径が小さくなり、上流側へすり抜ける電子の数が増加するので、望ましくない。

以上は、隣接する加速電極２ａ〜２ｈ、２ａの方向ベクトル３７が４５度異なって右回転する場合であったが、４５度に限定されるものではなく、例えば、図４に示すように、方向ベクトル３７が１２時(０時)、３時、６時、９時を示す加速電極２ａ、２ｃ、２ｅ、２ｇを、図４に示すように、この順序で必要台数繰り返し配置した場合には、隣接する加速電極２ａ、２ｃ、２ｅ、２ｇ間の方向ベクトルは、右回り９０度になる。
この場合も、電子は同じ方向に力を受けることにより飛行軌道から外れ、高エネルギーを有する前にイオン加速管２４の内部の部材に衝突し、停止する。

以上は、イオン加速管２４内に配置された複数の加速電極２のうち、隣接する加速電極２間の方向ベクトル３７の向きが、一定角度ずつ異なっていたが、同じ方向を向く方向ベクトル３７を有する隣接した複数の加速電極２を軌道修正装置とし、軌道修正装置を、イオン加速管２４の内部に複数個配置することができる。

この場合、各軌道修正装置に設けられた加速電極２は、飛行軸線３０に対して垂直であり、貫通孔４２の中心が、飛行軸線３０上に位置するようにし、入射側と射出側のいずれか一方から他方へ向かって並んだ各軌道修正装置の方向ベクトル３７が、一方向に回転すればよい。なおイオンビームへの影響を最小にするためには、方向ベクトルは３６０度回転の整数倍に設定されることが好ましい。

図５のイオン加速装置１６では、方向ベクトル３７が同じ方向を向く二台の加速電極２ａ、２ｃ、２ｅ、２ｇで、それぞれ軌道修正装置６ａ、６ｃ、６ｅ、６ｇが構成されており、イオン加速管２４の内部では、隣接する軌道修正装置６ａ、６ｃ、６ｅ、６ｇ間では、方向ベクトル３７は９０度異なり、入射側から射出側に向けて右回転で回転するようになっている。

図５のイオン加速装置１６では、軌道修正装置６ａ、６ｃ、６ｅ、６ｇの中で、一台の加速電極２ａ、２ｃ、２ｅ、２ｇを軌道修正装置としたときよりも、Ｎ極面８ＮとＳ極面８Ｓの間の磁力線の本数が増加しており、隣接する軌道修正装置６ａ、６ｃ、６ｅ、６ｇとの間の影響が少なくなっている。

なお、図３，４のイオン加速装置１６では、加速電極２ａ〜２ｈ、又は、加速電極２ａ、２ｃ、２ｅ、２ｇが、一台の軌道修正装置を構成するとして、イオン加速管２４の内部に、一方向に回転する軌道修正装置が配置されているとすることができる。

上記例では、隣接する加速電極２の方向ベクトル３７は、４５度又は９０度異なっていたが、０度以上９０度以下の角度で異なるように、隣接する加速電極２の相対的な回転角度を設定することができる。

上記例では、隣接する各加速電極２の電極本体４１同士の大きさは同じであり、また、貫通孔４２同士の大きさも同じにされており、各加速電極２は等間隔に配置されていたが、本発明は、それに限定されるものではなく、電極本体４１や貫通孔４２の大きさが異なる加速電極２を配置しても本発明に含まれる。

上記例では、Ｎ極向磁石５ＮとＳ極向磁石５Ｓの長さは、貫通孔４２の直径と同程度にされていたが、Ｎ極向磁石５ＮとＳ極向磁石５Ｓとに、直接イオンが衝突しないようにされていれば、貫通孔の直径よりも長く形成されていてもよく、また、電極本体４１の外周直径よりも長く形成されていてもよいし、また、貫通孔４２を通過する電子が、貫通孔４２近くに配置されたＮ極向磁石５ＮとＳ極向磁石５ＳのＮ極面８ＮとＳ極面８Ｓの間に形成された磁力線と交叉するようであれば、貫通孔４２の直径よりも短く形成されていてもよい。

また、上記例では、Ｎ極向磁石５ＮとＳ極向磁石５Ｓとは、各加速電極２の射出側を向く表面に設けられていたが、本発明では、Ｎ極向磁石５ＮとＳ極向磁石５Ｓとの間に形成される磁力線が、飛行軸線３０に対して垂直であり、貫通孔４２を通過する電子がＮ極面８ＮとＳ極面８Ｓの間に形成される磁力線と交叉するように配置できる限り、Ｎ極向磁石５ＮとＳ極向磁石５Ｓとは、必ずしも加速電極２に設けなくてもよく、例えば、イオン加速管２４に固定された保持装置にＮ極向磁石５ＮとＳ極向磁石５Ｓとを固定するようにしてもよい。
なお、飛行軌道を飛行するイオンも、磁石装置５が形成する磁力線と交叉し、ローレンツ力を受けるが、イオンは質量電荷比が電子よりも極めて大きいため影響は小さい。

上記例では、隣接する軌道修正装置間で方向ベクトルが４５度又は９０度異なっていたが、０度よりも大きい角度で、できるだけ小さい方が、方向ベクトルが異なる隣接する軌道修正装置間での磁力線干渉による飛行軌道上の垂直な磁場成分の減少が少なく、効果的に逆流電子を抑制できる。なお、低速イオンビームへの影響を最小にするため、方向ベクトルは３６０度回転の整数倍とするのが好ましいので、軌道修正装置間の方向ベクトルの角度が小さいと軌道修正装置の数を増加させる必要がある。

他方、隣接する軌道修正装置間の方向ベクトルの角度が９０度を超えると、磁石の効力を打ち消してしまい、電子にローレンツ力を与え十分に飛行軸線からの距離を増加させることが困難になる。
従って、隣接する軌道修正装置間の方向ベクトルの角度は、正数で表すと、０度よりも大きく、９０度以下の角度であることが必要である。

２，２ａ〜２ｈ……加速電極
５……磁石装置
５Ｎ……Ｎ極向磁石
５Ｓ……Ｓ極向磁石
６ａ、６ｃ、６ｅ、６ｇ……軌道修正装置
８Ｎ……Ｎ極面
８Ｓ……Ｓ極面
１０……イオン照射装置
１３……イオン源
１６……イオン加速装置
２４……イオン加速管
３０……飛行軌道の中心軸線
３７……方向ベクトル

Claims (12)

1. 正イオンを発生させるイオン源と、
   前記イオン源から供給され、入射側に入射する前記正イオンを、一列に並べられた加速電極によって加速させながら飛行軌道を飛行させ、射出側から射出させるイオン加速装置と、
   を有し、
   前記加速された前記正イオンを照射対象物に照射するイオン照射装置であって、
   前記イオン加速装置は、前記飛行軌道にＮ極表面が向けられたＮ極向磁石と、前記飛行軌道にＳ極表面が向けられたＳ極向磁石との組から成る複数の磁石装置を有し、
   各前記磁石装置は、前記Ｎ極向磁石の前記Ｎ極表面と、前記Ｓ極向磁石の前記Ｓ極表面とは、前記飛行軌道を間に挟んで対面され、
   前記Ｎ極向磁石の前記Ｎ極表面の中心から、前記Ｓ極向磁石の前記Ｓ極表面の中心に向かう方向ベクトルは、前記飛行軌道の中心軸線と垂直にされ、
   一台の前記磁石装置、又は、前記方向ベクトルが離間して同じ方向を向く隣接する二台以上の前記磁石装置を有する軌道修正装置が構成され、前記軌道修正装置が、前記飛行軌道に沿って配置され、
   一列に並ぶ複数の前記軌道修正装置のうち、隣接する二台の前記軌道修正装置の前記方向ベクトルは、向きが０度よりも大きく９０度以下の回転角度だけ異なり、左回転又は右回転を回転方向とすると、前記入射側から前記射出側に並ぶ前記軌道修正装置の前記方向ベクトルは左回転と右回転のいずれか一方の同じ回転方向に回転するように各前記軌道修正装置が配置されたイオン照射装置。
2. 隣接する二台の前記軌道修正装置の前記回転角度は等しくされた請求項１記載のイオン照射装置。
3. 前記回転角度は４５度に設定され、各前記軌道修正装置は、前記磁石装置を一台ずつそれぞれ有する請求項１記載のイオン照射装置。
4. 前記回転角度は９０度に設定され、各前記軌道修正装置は、前記磁石装置を一台ずつそれぞれ有する請求項１記載のイオン照射装置。
5. 前記回転角度は９０度に設定され、各前記軌道修正装置は、前記磁石装置を二台ずつそれぞれ有する請求項１記載のイオン照射装置。
6. 各前記磁石装置は、異なる前記加速電極にそれぞれ設けられた請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のイオン照射装置。
7. 複数の加速電極が配置されたイオン加速管の内部に、イオン源で生成した正イオンを前記イオン加速管の入射側から入射させ、前記正イオンを前記イオン加速管内で飛行軌道を飛行させながら前記加速電極によって加速させ、前記イオン加速管の射出側から射出し、照射対象物に照射するイオン照射方法であって、
   磁石装置を、前記入射側と前記射出側の間に一台ずつ順番に並べ、各前記磁石装置が有するＮ極向磁石のＮ極面と、Ｓ極向磁石のＳ極面とを対面させ、前記Ｎ極面と前記Ｓ極面との間に前記飛行軌道と交叉する磁力線をそれぞれ形成し、
   前記イオン加速管内で発生し、前記イオン加速管内を前記射出側から前記入射側に向かう方向に走行する電子を前記磁力線と交叉させてローレンツ力を発生させ、前記電子に前記ローレンツ力による回転力を印加し、前記電子に、前記イオン加速管内で、前記射出側から前記入射側に向かう方向に走行させながら、前記飛行軌道の中心軸線である飛行軸線からの距離を増加させ、前記電子を前記イオン加速管内の部材に衝突させて停止させるイオン照射方法において、
   前記磁石装置の前記Ｎ極面の中心から前記Ｓ極面の中心に向かう方向ベクトルの方向を、隣接する二台の前記磁石装置間では、０度よりも大きく９０度以下の角度で異ならせ、
   隣接する前記磁石装置が形成する前記磁力線を、前記入射側と前記射出側との間で一方向に回転させるイオン照射方法。
8. 前記飛行軌道にＮ極表面が向けられたＮ極向磁石と、前記飛行軌道にＳ極表面が向けられたＳ極向磁石との組から成る複数の磁石装置の、前記Ｎ極向磁石の前記Ｎ極表面と、前記Ｓ極向磁石の前記Ｓ極表面とを、前記飛行軌道を間に挟んで対面して配置し、
   前記Ｎ極向磁石の前記Ｎ極表面の中心から、前記Ｓ極向磁石の前記Ｓ極表面の中心に向かう方向ベクトルを、前記飛行軌道の中心軸線と垂直になるようにし、
   一台の前記磁石装置、又は、前記方向ベクトルが離間して同じ方向を向く隣接する二台以上の前記磁石装置を有する軌道修正装置を、前記飛行軌道に沿って配置し、
   一列に並ぶ複数の前記軌道修正装置のうち、隣接する二台の前記軌道修正装置の前記方向ベクトルは、０度よりも大きく９０度以下の所定の回転角度だけ向きを異ならせ、
   左回転と右回転とを回転方向とすると、前記入射側から前記射出側に並ぶ前記軌道修正装置の前記方向ベクトルは左回転又は右回転のいずれか一方の同じ回転方向に回転するように各前記軌道修正装置を配置する請求項７記載のイオン照射方法。
9. 前記各軌道修正装置の前記回転角度を等しくする請求項８記載のイオン照射方法。
10. 前記回転角度を４５度にし、各前記軌道修正装置には、前記磁石装置を一台ずつそれぞれ設ける請求項９記載のイオン照射方法。
11. 前記回転角度を９０度にし、各前記軌道修正装置には、前記磁石装置を一台ずつそれぞれ設ける請求項９記載のイオン照射方法。
12. 前記回転角度は９０度にし、各前記軌道修正装置には、前記磁石装置を二台ずつそれぞれ設ける請求項９記載のイオン照射方法。

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