JP6211962B2 - イオンビームの純度監視装置、方法及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、イオン源から取り出されるイオンビームの純度監視技術に関する。

レーザを用いるイオン源は、レーザを集光して固体ターゲットに照射し、レーザのエネルギーによりターゲットの元素を蒸発させイオン化してプラズマを生成する。
そして、生成したプラズマは、その状態のまま加速器の入口まで輸送された後、電位差によりイオンのみが加速器に引き込まれ、イオンビームとして出力される（例えば、特許文献１，２参照）。

一方において、加速器におけるイオンの加速性は、イオンの質量が小さく価数が大きい程優れている。そして、レーザを用いるイオン源は、多価イオンの発生に有利であることが知られている。
また、レーザで生成したプラズマ中に、目的とするイオン以外の不純物イオンが混入していると、ビーム品質の低下が懸念される。
そこで、イオン源から取り出されるイオンビームの純度を計測し、純度低下が観測された場合に、加速器の運転を停止するインターロックが、検討されている（例えば、特許文献３）。

特許３７１３５２４号公報 特開２００９−３７７６４号公報 特開２０１２−０５１５７７号公報

イオンビームの純度を低下させる汚染源としては、ターゲットに含まれる不純物元素、ターゲットに付着している水分、レーザの照射雰囲気の残留ガス成分、等が挙げられる。
これら不純物元素のイオン、水分由来の水素イオンや酸素イオン、残留ガス成分のイオンは、イオンビームに不純物イオンとして混入して、そのまま下流に輸送されてしまう。
このため、イオンビームの出力運転中において、その純度をリアルタイムで監視し、純度低下が観測された場合は、ただちに運転を停止することが望まれる。

しかし、不純物イオンは、上述のように多種類であるうえ、ターゲット元素イオン（目的イオン）に対する混入比率が元々少ないため、検出感度の低下が避けられない。
このため、不純物イオンの誤計測により、上述のインターロック機能が、イオンビームの出力運転の安定性を、低下させる恐れがあった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、出力運転を継続しながらリアルタイムで正確に実施できるイオンビームの純度監視技術を提供することを目的とする。

イオンビームの純度監視装置において、レーザが照射されたターゲットから放出されるイオンビームの主軸に対し角度をなす方向に放出されたイオンの検出データを取得する取得部と、前記レーザの発振周期と同じ周期でタイムカウントを繰り返すタイムカウンタと、前記検出データの信号値を前記タイムカウントのタイミングに割り付ける割付部と、前記イオンビームを構成する目的イオンとは異なる不純物イオンの質量電荷比に対応するタイミングを設定する設定部と、前記不純物イオンのタイミングに一致する前記検出データの信号値が閾値を超えるか否かを判定する判定部と、前記閾値超えの判定がなされた場合に異常信号を出力する出力部と、を備え、前記割付部は、異なる周期の前記タイムカウント上の共通のタイミングに割り付けられている前記検出データの信号値を加算し、前記判定部は、前記不純物イオンのタイミングにおける前記検出データを全て加算した信号値が前記閾値を超えるか否かを判定することを特徴とする。

本発明により、出力運転を継続しながらリアルタイムで正確に実施できるイオンビームの純度監視技術が提供される。

本発明に係るイオンビームの純度監視装置の実施形態を示すブロック図。 レーザ発振とイオン検出期間とを示すタイミングチャート。 イオンビームに含まれる元素イオンの検出結果を示すグラフ。 実施形態に係るイオンビームの純度監視装置を適用したイオン加速器を示すブロック図。 実施形態に係るイオンビームの純度監視装置の動作を説明するフローチャート。

本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すようにイオン源１０は、真空容器１１の内部にターゲット１２が収容され、この真空容器１１の電位はこのターゲット１２と同レベルに設定されている。
このイオン源１０の外部には、レーザ発振部１３が配置され、透明窓を通過してその内部に入射したレーザは、ターゲット１２の表面を照射する。

照射したレーザのエネルギーによりターゲット１２の元素が蒸発しイオン化してプラズマ１４を生成する。
このプラズマ１４は、蒸発したターゲット１２の元素が陽イオンと電子に電離した状態となっており、全体として電気的に中性になっている。
ターゲット１２として、炭素系の板状部材を用いた場合、このプラズマ１４には、目的とする多価の炭素イオンの他に、不純物元素のイオン、水分由来の水素イオンや酸素イオン、真空容器１１内の残留ガス成分のイオンが不純物イオンとして混入することがある。

このプラズマ１４は、レーザがターゲット１２に入射した入射点から垂直方向に延びるイオンビームの主軸Ｘに沿って、真空容器１１の内部を放射状に拡散する。
イオンビームの主軸Ｘが交わる真空容器１１の壁には、プラズマ１４の通過孔１５が設けられている。

そして、この通過孔１５を開口端とするプラズマ輸送管１９が、イオンビームの主軸Ｘが同心軸となるように、さらに真空容器１１と同電位になるように設けられている。
このプラズマ輸送管１９により、プラズマ１４は、拡散することなく線形加速器１７の内部に導かれる。
なお、真空容器１１の通過孔１５には、広がった不要なプラズマ１４を、プラズマ輸送管１９に輸送しないよう排除するコリメータ１８が設けられている。

真空容器１１と線形加速器１７とは、絶縁体である連通路１６により連結され、この連通路１６の中心軸にプラズマ輸送管１９が一致するように配置されている。
このようにして、イオン源１０で発生したプラズマ１４は、連通路１６を通過して線形加速器１７に導入される。

イオン源１０と線形加速器１７は電位が異なるため、線形加速器１７に導入されたプラズマ１４から電子が分離した陽イオンは、加速チャンネル（図示略）に導入され加速されて、イオンビームとなる。
このようにイオン源１０を出発して高エネルギー化されたイオンビームは、例えば、がん治療に利用される重粒子線照射装置に利用される。

真空容器１１には、イオンビームの主軸Ｘに対しターゲット１２から角度をなす方向に放出されるイオンを通過させる分岐孔２１が設けられている。
この分岐孔２１は、真空容器１１の内部に拡散したプラズマ１４からイオンをその外部に導く。そして、分岐孔２１から真空容器１１の外部に導かれたイオンは、イオン種の定性・定量分析を実施する分析部２０に案内される。

分岐孔２１から引き出されるイオンのイオン種の組成は、通過孔１５から引き出されるイオンビームのイオン種の組成と同様であるため、分析部２０によりイオンビームに含まれるイオン種をリアルタイムで監視することが可能となる。

分析部２０は、分岐孔２１から引き出されるイオンの飛行軌道２５に電場をかけてこの飛行軌道２５を偏向させる静電デフレクタ２３と、この飛行軌道２５に沿って飛行したイオンを検出し検出データ２６を出力する検出部２４と、から構成されている。

ここで、静電デフレクタ２３の偏向半径r、電場Ｅとし、イオンの飛行速度ｖ、価数q、質量ｍ、電気素量ｅとすると、次式（１）の関係から式（２）が導かれる。
１／２・ｍｖ² ＝ １／２・ｑｅｒＥ （１）
ｖ² ∝ ｑ／ｍ （２）

式（２）に示すようにイオンの飛行速度ｖは、このイオンの質量電荷比ｑ／ｍの平方根に比例する。これにより、飛行するイオンは、質量電荷比ｑ／ｍに対し、飛行時間が一意的に定まる。そして、質量電荷比ｑ／ｍの異なるイオンは、異なる飛行時間を経て検出部２４に入射し、タイムライン上で分離して検出されることとなる。

イオンビームの純度監視装置３０は、レーザが照射されたターゲット１２から放出されるイオンビームの主軸Ｘに対し角度をなす方向に放出されたイオンの検出データ２６を取得する検出データ取得部３１と、レーザの発振周期Ｔ（図２）と同じ周期Ｔでタイムカウントを繰り返すタイムカウンタ３２と、検出データ２６の信号値をタイムカウントのタイミングに割り付ける検出データ割付部３３と、イオンビームを構成する目的イオンとは異なる不純物イオンの質量電荷比に対応するタイミングを設定するタイミング設定部３５と、不純物イオンのタイミングに一致する検出データ２６の信号値が閾値を超えるか否かを判定する判定部３６と、閾値超えの判定がなされた場合に異常信号を出力する異常信号出力部３７と、を備えている。

図２のタイミングチャートに示すように、レーザ発振部１３は、一定の周期間隔で断続的にレーザバルス１３ａ，１３ｂ，１３ｃを発振している。
一つのレーザバルス１３ａがターゲット１２に照射されると、次のレーザバルス１３ｂが照射されるまでの期間に、ターゲット１２から放出された全てのイオンが飛行軌道２５に沿って飛行して、検出部２４に検出される。

したがって、検出データ取得部３１では、質量電荷比（ｑ／ｍ）が大きいイオン種ほど、検出データが、早いタイミングで取得されることになる。
図２に示すタイムカウンタ３２によるタイムカウントのリセットフラグ３８は、レーザの発振周期Ｔと同じ周期Ｔで設定されており、検出データ２６は、取得されたタイミングで、その信号値がタイムラインに割り付けられる。

グラフ作成部３４は、図３に示すように、横軸が時間（タイムライン）、縦軸が信号値に設定されたグラフを、レーザ発振の発振周期Ｔと同じ時間間隔で更新することができる。これにより、イオンビームの純度を、リアルタイムで監視することができる。

図３のグラフは、６価から１価までのカーボンイオンの検出ピークが観測されている。
設定部３５は、目的イオン及び不純物イオンの質量電荷比に対応するタイミングに対し、グラフ上にインジケータ３９を設定する。
価数が異なる種々の元素イオンのインジケータ３９の設定は、静電デフレクタ２３（図１）の偏向半径ｒ、電場Ｅ、イオン飛行距離等に基づいて計算により予め行うことが可能である。

不純物イオン種の発生源は、ターゲット１２に含まれる不純物と真空容器１１内の残留ガスと、である。このため、イオンビームに混入する可能性の高い不純物元素は、ターゲット１２の不純物データ等から把握することができるので、対応するインジケータ３９を設定することができる。
例えば、図３に示すように、不純物元素である窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）の価数の異なるイオンの検出されるタイミングを予測して、インジケータ３９を設定することができる。

ここで、イオン源１０から出力されるイオンビームの最終的な構成イオンをＣ⁶⁺とする場合、不純物イオンであるＮ⁷⁺，Ｏ⁸⁺は、いずれも質量電荷比ｑ／ｍが１／２で同じであるために、タイムラインにおける検出ピークが一致して、分離検出することができない。
そこで、カーボンイオンと分離検出が可能なＮ⁶⁺〜Ｎ¹⁺、Ｏ⁷⁺〜Ｏ¹⁺（Ｏ⁴⁺はＣ³⁺と分離でいないため除く）の検出ピークの有無を判断することにより、Ｎ⁷⁺、Ｏ⁸⁺イオンの混入の有無を間接的に推定することができる。

なお、不純物イオンは、混入量が元々微量であるために、検出ピークのＳ／Ｎ比が小さい場合がある。
この場合、検出データ割付部３３（図１）は、異なる周期のタイムカウント上の共通のタイミングに割り付けられている検出データの信号値を加算することにより、検出ピークのＳ／Ｎ比を向上させることができる。

つまり、図２に示すように複数のタイミングのレーザパルス１３ａ，１３ｂ，１３ｃにより放出されたイオンの検出ピークを、タイミングを合わせて加算することにより、感度向上させることができる。
この場合、図３のグラフの更新間隔は、加算回数に比例して広がってしまうが、監視のリアルタイム性を低下させることはない。

判定部３６は、不純物イオンのタイミング（インジケータ３９）における信号値、もしくは検出ピークの積分値が、閾値を超えるか否かを判定する。
これにより、イオンビームに含まれる種々の不純物イオンを価数別に分けて、イオンビームの純度を評価することができる。
もしくは、判定部３６は、不純物イオンのタイミング（インジケータ３９）における検出データを全て加算した信号値が閾値を超えるか否かを判定する。
これにより、イオンビームに含まれる種々の不純物イオンを全て同一視して、イオンビームの純度を評価することができる。

異常信号出力部３７は、判定部３６において閾値超えの判定がなされた場合に、イオンビームの純度が低下したことを示す異常信号２７を出力する。

図４のブロック図に示すように、実施形態に係るイオンビームの純度監視装置３０が適用されたイオン加速器は、イオン源１０と、高周波四重極（ＲＦＱ：Radio Frequency Quadrupole）線形加速器４１と、ドリフトチューブ線形加速器（ＤＴＬ）４２と、円形加速器４３と、から構成され、イオンビームを加速して重粒子線として出力する。

ＲＦＱ線形加速器４１は、イオン源１０の後段に接続され、高周波により四重極の電場を形成する４枚の電極（図示略）を備えている。ＲＦＱ線形加速器４１は、イオン源１０からのイオンビームに対し、四重極の電場により加速と収束とを同時に行う。

ＤＴＬ４２は、ＲＦＱ線形加速器４１の後段に接続され、高周波により中心軸に沿う電場を形成する電極（図示略）と、中心軸に沿って各々離れて配置されたドリフトチューブ（図示略）と、を備えている。
ＤＴＬ４２は、電場が中心軸に平行な進行方向に向かう期間において、ＲＦＱ線形加速器４１からのイオンビームを加速させ、電場が進行方向とは逆に向かう期間において、イオンビームをドリフトチューブの中に通過させることにより、イオンビームを徐々に加速させる。

円形加速器４３は、ＤＴＬ４２の後段に接続され、高周波により周回軌道に沿う電場を形成する電極（図示略）を備えている。
円形加速器４３は、ＤＴＬ４２からのイオンビームを電場により周回軌道に沿って周回加速させて、照射対象の部位に照射するための重粒子線４５を出力する。

ゲートバルブ４４は、ＲＦＱ線形加速器４１の入力、ＤＴＬ４２の入力、及び円形加速器４３の入力のいずれかの位置に設置されている（図示は、円形加速器４３の入力）。
ゲートバルブ４４は、イオンビームの純度監視装置３０が出力する異常信号２７に応じて閉じることによりイオンビームの出力を停止する。
すなわち、不純物イオンの混入によりイオンビームの純度が低下した場合、イオン加速器は、ゲートバルブ４４を閉じて、運転を停止する。

図５のフローチャートに基づいて、実施形態に係るイオンビームの純度監視装置の動作を説明する（適宜、図１参照）。
ターゲット１２の不純物元素、付着水分、真空容器１１内の残留ガス成分等から、イオンビームに含まれる不純物イオンを推定し、これら不純物イオンの質量電荷比に対応する検出タイミングを、設定部３５に設定する（Ｓ１１）。

レーザ発振部１３のレーザ発振周期Ｔの情報を取得し（Ｓ１２）、リセットフラグ３８を周期Ｔの時間間隔で設定し、タイムカウンタ３２によるカウントをスタートさせる（Ｓ１３）。

レーザの照射を開始し、ターゲット１２から検出部２４まで飛行したイオンの検出データを取得部３１において取得する（Ｓ１４）。
そして、取得した検出データの信号値を、タイムカウントのタイミングに従ってタイムライン上（図３：横軸）に、縦軸に対し割り付ける（Ｓ１５）。

レーザ発振の一つの周期が経過する過程において、質量電荷比ｑ／ｍの大きいものから順番に検出データが取得されてタイムラインに割り付けられていく（Ｓ１６：Ｎｏ）。
そして、レーザ発振の一つの周期が経過して次の周期Ｔに入ったところで（Ｓ１６：Ｙｅｓ）、タイムカウンタ３２をリセットし（Ｓ１７：Ｎｏ，Ｓ１３）、上述した（Ｓ１６）までのフローを繰り返す。この（Ｓ１３）〜（Ｓ１７：Ｎｏ）のフローを繰り返す度に、検出ピークがＳ／Ｎ比が向上する。
加算回数が所定値に到達したところで（Ｓ１７：Ｙｅｓ）、不純物イオンのタイミングに一致する検出ピークが閾値を超えるか否かを判定する（Ｓ１８）。

そして、閾値超えの判定がなされない場合は（Ｓ１９：Ｎｏ）、タイムカウンタ３２をリセットし（Ｓ１３）、上述した（Ｓ１９）までのフローを繰り返し、イオン加速器の運転を継続する。
そして、閾値超えの判定がなされた場合は、イオンビームの純度が低下したと判断して異常信号を出力し、イオン加速器の運転を緊急停止する（Ｓ２０）。

以上述べた少なくともひとつの実施形態のイオンビームの純度監視装置によれば、ターゲットに照射するレーザの発振周期に同期して放出されるイオン種の定性・定量分析を行うことにより、リアルタイムで安定的に、不純物イオンの混入の有無を監視することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
また、イオンビームの純度監視装置の構成要素は、コンピュータのプロセッサで実現することも可能であり、イオンビームの純度監視プログラムにより動作させることが可能である。

１０…イオン源、１１…真空容器、１２…ターゲット、１３…レーザ発振部、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ…レーザパルス、１４…プラズマ、１５…通過孔、１６…連通路、１７…線形加速器、１８…コリメータ、１９…プラズマ輸送管、２０…分析部、２１…分岐孔、２３…静電デフレクタ、２４…検出部、２５…飛行軌道、２６…検出データ、２７…異常信号、３０…イオンビームの純度監視装置、３１…検出データ取得部（取得部）、３２…タイムカウンタ、３３…検出データ割付部（割付部）、３４…グラフ作成部、３５…タイミング設定部（設定部）、３６…判定部、３７…異常信号出力部（出力部）、３８…リセットフラグ、３９…インジケータ、４１…高周波四重極線形加速器（ＲＦＱ）、４２…ドリフトチューブ線形加速器（ＤＴＬ）、４３…円形加速器、４４…ゲートバルブ、４５…重粒子線。

Claims (3)

1. レーザが照射されたターゲットから放出されるイオンビームの主軸に対し角度をなす方向に放出されたイオンの検出データを取得する取得部と、
   前記レーザの発振周期と同じ周期でタイムカウントを繰り返すタイムカウンタと、
   前記検出データの信号値を前記タイムカウントのタイミングに割り付ける割付部と、
   前記イオンビームを構成する目的イオンとは異なる不純物イオンの質量電荷比に対応するタイミングを設定する設定部と、
   前記不純物イオンのタイミングに一致する前記検出データの信号値が閾値を超えるか否かを判定する判定部と、
   前記閾値超えの判定がなされた場合に異常信号を出力する出力部と、を備え、
   前記割付部は、異なる周期の前記タイムカウント上の共通のタイミングに割り付けられている前記検出データの信号値を加算し、
   前記判定部は、前記不純物イオンのタイミングにおける前記検出データを全て加算した信号値が前記閾値を超えるか否かを判定することを特徴とするイオンビームの純度監視装置。
2. レーザが照射されたターゲットから放出されるイオンビームの主軸に対し角度をなす方向に放出されたイオンの検出データを取得するステップと、
   前記レーザの発振周期と同じ周期でタイムカウントを繰り返すステップと、
   前記検出データの信号値を前記タイムカウントのタイミングに割り付けるステップと、
   前記イオンビームを構成する目的イオンとは異なる不純物イオンの質量電荷比に対応するタイミングを設定するステップと、
   前記不純物イオンのタイミングに一致する前記検出データの信号値が閾値を超えるか否かを判定するステップと、
   前記閾値超えの判定がなされた場合に異常信号を出力するステップと、を含み、
   前記割り付けるステップでは、異なる周期の前記タイムカウント上の共通のタイミングに割り付けられている前記検出データの信号値を加算し、
   前記判定するステップでは、前記不純物イオンのタイミングにおける前記検出データを全て加算した信号値が前記閾値を超えるか否かを判定することを特徴とするイオンビームの純度監視方法。
3. コンピュータに、
   レーザが照射されたターゲットから放出されるイオンビームの主軸に対し角度をなす方向に放出されたイオンの検出データを取得するステップ、
   前記レーザの発振周期と同じ周期でタイムカウントを繰り返すステップ、
   前記検出データの信号値を前記タイムカウントのタイミングに割り付けるステップ、
   前記イオンビームを構成する目的イオンとは異なる不純物イオンの質量電荷比に対応するタイミングを設定するステップ、
   前記不純物イオンのタイミングに一致する前記検出データの信号値が閾値を超えるか否かを判定するステップ、
   前記閾値超えの判定がなされた場合に異常信号を出力するステップ、を実行させ、
   前記割り付けるステップでは、異なる周期の前記タイムカウント上の共通のタイミングに割り付けられている前記検出データの信号値を加算し、
   前記判定するステップでは、前記不純物イオンのタイミングにおける前記検出データを全て加算した信号値が前記閾値を超えるか否かを判定することを特徴とするイオンビームの純度監視プログラム。

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