JP6211964B2 - イオン源 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマを生成してイオンビームを取り出すイオン源に関する。

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、イオンビームが出力される。

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１）。

特開２０１３−１８７０５７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必要がある。

しかし、ターゲット元素イオン（目的イオン）と不純物イオンとの質量電荷比が近似している場合、両イオンの検出ピークが近接するために、不純物イオンの分離定量性が低下してしまう課題がある。
そこで、この近接する検出ピークを分離するために、イオンの飛行距離を延長することが検討される。しかしこの場合、検出ピークがブロード化し、検出ピークの分解能の向上が、十分に達成されないことがある。
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、低下させる課題があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、不純物イオンの検出精度を向上させることができるイオン源を提供することを目的とする。

本発明に係るイオン源において、真空容器に収容され、レーザパルスの照射によりプラズマを生じさせるターゲットと、前記真空容器に設けられ前記プラズマから引き出されるイオンビームが通過する通過孔と、前記真空容器に設けられ前記イオンビームの主軸に対し前記ターゲット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と、前記分岐孔を通過したイオンの飛行軌道上に配置される検出部と、前記検出部よりも手前の前記飛行軌道上に配置され前記イオンの通過断面を絞るスリットと、を備え、前記飛行軌道上には、前記レーザパルス発振周期に同期する開閉動作によるか、又は前記レーザパルスの前記ターゲットへの照射に伴う発光の検出値に対して設けた閾値に基づく開閉動作により、前記イオンが飛来する以前に到達する前記発光を遮断するシャッターを備えることを特徴とする。

本発明により、不純物イオンの検出精度を向上させることができるイオン源が提供される。

本発明に係るイオン源の第１実施形態を示す概略断面図。 （Ａ）スリットの実施例を示す平面図、（Ｂ）スリットの他の実施例を示す平面図。 （Ａ）比較例１として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、（Ｂ）比較例２として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、（Ｃ）実施例として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。 本発明に係るイオン源の第２実施形態を示すブロック図。 レーザ発振とシャッタ動作との関係を示すタイミングチャート。 （Ａ）シャッターの実施例を示す平面図、（Ｂ）シャッターの他の実施例を示す縦断面図。 本発明に係るイオン源の第３実施形態を示す概略断面図。 第３実施形態に係るイオン源の他の実施例を示す概略断面図。 本発明に係るイオン源の第４実施形態を示す概略断面図。 本発明に係るイオン源の第５実施形態を示す概略断面図。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように第１実施形態に係るイオン源１０は、真空容器１１に収容されプラズマ１４を生じさせるターゲット１２と、この真空容器１１に設けられプラズマ１４から引き出されるイオンビームが通過する通過孔１５と、真空容器１１に設けられ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と、この分岐孔２１を通過したイオンの飛行軌道２２上に配置される検出部２３と、この検出部２３よりも手前の飛行軌道２２上に配置されイオンの通過断面を絞るスリット２４と、を備えている。

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（図示略）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１３は、ターゲット１２の表面に照射する。

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している。

このプラズマ１４は、レーザ１３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。

このような、プラズマ１４の発生方法として、実施形態ではレーザ１３をターゲット１２に照射する方法を開示しているが、これに限定されることはなく、例えば、マイクロ波や電子ビームによりガス中で放電をおこす方法等がある。

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。

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。

放射状に拡散するプラズマ１４は、イオンビームの主軸Ｘに対する角度が広がるにつれ、イオン電流密度が低くなる。
このため、イオン種の定性・定量分析の精度を確保するには、通過孔１５に近い位置に分岐孔２１を設けるのが望ましい。

しかし、分析部２０の電位は真空容器１１と同じで高電位に設定されており、これに対し線形加速器１７等の周辺機器の電位はグランドレベルに設定されている。
このため、通過孔１５と分岐孔２１の位置が近いと、分析部２０と周辺機器（線形加速器１７等）とが電気的に短絡するおそれがある。
このような様々な制約条件の下、分岐孔２１の位置及び分析部２０のレイアウトは、最適化して決定される。

分析部２０は、分岐孔２１を開口端としてイオンの飛行軌道２２が中心軸に一致するように真空容器１１と一体成型されているポート２５と、ポート２５からの飛行軌道２２を確保してイオンを誘導する誘導管２６と、検出部２３を支持するとともにその電装系統（図示略）が収容されているカートリッジ２７と、誘導管２６及びカートリッジ２７を着脱自在に連結するとともに各々の内部空間を真空遮断する遮断部２８と、検出部２３よりも手前の飛行軌道２２上に配置されイオンの通過断面を絞るスリット２４と、から構成されている。

なお、誘導管２６及び遮断部２８を省略して、真空容器１１のポート２５に、カートリッジ２７を直接接続させる構造も取り得る。
また、誘導管２６、遮断部２８及びカートリッジ２７の電位レベルは、真空容器１１（及びポート２５）と同じ電位レベルに設定される。
もしくは、誘導管２６及び遮断部２８の少なくとも一部を絶縁材料で構成し、それよりも下流をグランドレベルに設定する場合もある。

検出部２３としては、ファラデーカップ、Ｑ−Ｍａｓｓ、ウィーンフィルター、電場または磁場によるｑ／ｍ分析などが挙げられる。
もしくは、検出部２３としてマイクロチャンネルプレート、二次電子増倍管 、光電子増倍管等のように信号増幅機能を有するものを用いることもできる。

マイクロチャンネルプレートや二次電子増倍管では、イオン電流をそのまま増幅させて信号として出力する。また、光電子増倍管を用いる場合は、イオンをシンチレータに入射させ、その蛍光または燐光をこの光電子増倍管で電気信号に変換し増幅して出力する。
このような信号増幅機能を有する検出部２３を用いることにより、到達したイオンの数が少ない場合であっても、検出感度を向上させることができる。

図２（Ａ）の平面図が示すように、スリット２４は、分岐孔２１（又はポート２５）におけるイオンの通過断面よりも、面積の小さな円形の開口２９ａ（２９）が設けられている。このスリット２４の開口２９の形状は特に限定はなく、図２（Ｂ）に示すように矩形形状の開口２９ｂ（２９）である場合もある。

プラズマ１４（図１）からイオンが引き出されると、同一の荷電粒子の集団運動になるため、空間電荷効果によりイオンが発散する。
スリット２４を開口２９がイオンの飛行軌道２２（図１）を貫通するように配置することにより、イオン集団を部分的に通過させ、検出部２３（図１）に向かわせるイオン集団の総電荷量を減少させることで、空間電荷効果を抑制し、イオンの発散を抑えることができる。
これにより、この飛行軌道２２を外れて飛行するイオンは、スリット２４により抑制され、検出部２３に到達する確率が小さくなる。

図３に基づいて、スリット２４（図１）の効果について説明する。
分析部２０（図１）は、飛行軌道２２に沿って飛行するイオンの飛行時間を計測することにより、プラズマ１４を構成するイオン種の組成の定性・定量を行う。
具体的には、質量電荷比（ｑ／ｍ）が大きいイオン種ほど、飛行時間が短くなり、検出部２３から信号が早いタイミングで出力されることになる。

従って、図３（Ａ）の比較例１に示すように、質量電荷比（ｑ／ｍ）がお互いに近いイオン種の検出ピークは、互いに時間的に近接して分離が困難になる場合がある。
このような場合、図３（Ｂ）の比較例２に示すように、飛行軌道２２の距離を延長することで、検出ピークを時間的に離間させることができる。

しかし、飛行軌道２２の距離が伸びても、飛行軌道２２の中心を外れて飛行して検出されるイオンの数が増えてピーク形状がブロードとなるため、検出ピークの分解能は期待するほど向上しない。
飛行軌道２２の中心を外れて飛行するイオンは、飛行時間がずれてしまう。飛行軌道２２の距離が伸びると、そのようなイオンの飛行時間の分布が広がるために、検出ピークの形状がブロードになってしまう。

そこで、図３（Ｃ）の実施例に示すように、スリット２４を導入することで、飛行軌道２２を外れて飛行して検出されるイオンの数を減らし、ピーク形状をシャープにすることができる。これにより、検出ピークの分解能を向上させることができる。

（第２実施形態）
次に図４に基づいて本発明の第２実施形態を説明する。
第２実施形態のイオン源１０は、飛行軌道２２上に、イオンが飛来する以前に到達する発光を開閉動作により遮断するシャッター３０を備えている。
図４においてシャッター３０は、スリット２４に近接して設けられる態様を示しているが、シャッター３０の設けられる位置は、特に限定されることはなく、飛行軌道２２上であればポート２５、誘導管２６、カートリッジ２７のうちいずれかに設けることができる。
なお、図４において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

図５のタイミングチャートは、レーザ発振とシャッタ動作との関係を示している。
図５の上段に示すように、レーザ１３は、一定の周期間隔で断続的に発振されるレーザパルス１３ａ，１３ｂ，１３ｃから構成される。
一つのレーザパルス１３ａがターゲット１２に照射されると、次のレーザパルス１３ｂが照射されるまでの期間に、ターゲット１２から放出されたイオンが飛行軌道２２に沿って飛行して、検出部２３に検出される。
したがって、レーザ発振の発振周期Ｔと同じ時間間隔で、図３に示されるグラフが更新されることになる。

ところで、レーザパルス１３ａがターゲット１２に照射されると、イオン放出のみではなくアブレーション光が発光する。
このアブレーション光が検出部２３に入射すると、図３のグラフの波形にノイズを生じさせ、検出ピークのＳ／Ｎ比が低下してしまう。

そこで、図５の下段に示すように、レーザパルス１３ａ，１３ｂ，１３ｃが照射されてからイオンが検出部２３に飛来するまでの期間、シャッター３０を閉状態にして、アブレーション光を遮断する。その後、シャッター３０を開状態にして、質量電荷比（ｑ／ｍ）の相違する全てのイオンの飛来が終了したところで、再びシャッター３０を閉状態に戻す。

このシャッター３０の開閉動作は、レーザパルス１３ａ，１３ｂ，１３ｃの発振周期Ｔに同期させて行うか、アブレーション光の検出値に対して設けた閾値に基づいて行うことができる。
これにより、ピークのＳ／Ｎ比を向上させることができ、イオン種を高感度で検出することが可能となる。

図６（Ａ）の平面図に示すように、実施例に係るシャッター３０には、回転軸３２を中心にする回転運動により、スリット２４の開口２９に、順番に一致するウインドウ３１（３１ａ，３１ｂ，３１ｃ）が、設けられている。
この回転軸３２の回転速度及び位相を適宜調整することにより、レーザパルス１３ａ，１３ｂ，１３ｃの発振周期Ｔに同期させて、シャッター３０を開閉動作させることができる。

図６（Ｂ）の縦断面図に示すように、他の実施例に係るシャッター３０は、スリット２４の開口２９を通過したアブレーション光の拡散を遮蔽する筒体３３と、この筒体３３の内部で飛行軌道２２に対して略直交する回転軸において回転する弁体３４と、から構成されている。
この弁体３４の回転速度及び位相を適宜調整することにより、レーザ１３の発振周期Ｔに同期させて、シャッター３０を開閉動作させることができる。

なお、シャッター３０の駆動方式としては、実施例として示した形態に限定されることはなく、例えば、遮蔽体（図示略）を直線的に往復運動させることにより実現することも可能である。
また、上述したアブレーション光の影響を排除するために、真空容器１１、ポート２５、誘導管２６、カートリッジ２７及び遮断部２８のうち少なくとも一部の内表面に、アブレーション光を吸収する塗料を塗布してもよい。もしくは、これら部材の内表面の構成材料にアブレーション光の吸収特性を有する材料を用いてもよい。
これにより、ターゲット１２で発生したアブレーション光のうち、反射を繰り返して検出部２３に到達するアブレーション光の割合を低下させることができるので、信号波形に重畳するノイズを低減させることができる。

（第３実施形態）
次に図７に基づいて本発明の第３実施形態を説明する。
第３実施形態のイオン源１０は、スリット２４（２４ａ，２４ｂ）が、飛行軌道２２上に複数配置されている。
図７においてスリット２４（２４ａ，２４ｂ）の各々は、誘導管２６の内部に設けられる態様を示しているが、特に限定されることはなく、飛行軌道２２上であれば少なくとも一方を、遮断部２８及びカートリッジ２７のうちいずれかに設けることができる。

また、図７においてスリット２４（２４ａ，２４ｂ）の各々は、下流側と上流側に二つ配置されているが、その個数は特に限定されない。
なお、図７において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

これにより、この飛行軌道２２を外れて飛行するイオンは、スリット２４により抑制され、検出部２３に到達する確率がさらに小さくなる。
よって、ピーク形状をシャープにすることができ、検出ピークの分解能をさらに向上させることができる。

図８は、第３実施形態に係るイオン源の他の実施例を示すブロック図である。
この実施例においては、二枚のスリット２４ａ，２４ｂの間に、イオンが入射するとシンチレーション光を発光するシンチレータ４１とこのシンチレーション光を検出する光電子増倍管４２とから構成される第１検出部２３ａが設けられ、さらに下流に第２検出部２３ｂが設けられている。

このシンチレータ４１の厚みがイオンの飛程よりも薄い場合、イオンはこのシンチレータ４１を通過して、さらに下流に輸送される。
シンチレータ４１を通過したイオンは、発散して下流の第２検出部２３ｂに向かうが、後段のスリット２４ｂの存在により、イオンの通過が絞られて発散が抑制される。
これにより、第１検出部２３ａ及び第２検出部２３ｂともに、分解能に優れる検出ピークを出力することができる。

（第４実施形態）
次に図９に基づいて本発明の第４実施形態を説明する。
第４実施形態のイオン源１０は、分岐孔２１を通過したイオンの飛行軌道２２に曲率を付与する静電デフレクタ４３をさらに備えている。
なお、図９において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

静電デフレクタ４３は、分岐孔２１から引き出されるイオンの飛行軌道２２に電場をかけてこの飛行軌道２２を偏向させるものである。
曲率を有する飛行軌道２２に沿って飛行したイオンは、検出部２３に入射する。

このように構成されることにより、分析部２０のレイアウトに自由度が広がり、分析部２０に対し低電位に設定されている周辺機器（線形加速器１７等）と電気的に短絡しにくい構成をとることができる。
また、飛行軌道２２に曲率を持たせることにより、イオン源１０の設置面積を広げずに、飛行軌道２２を長くとることができる。

（第５実施形態）
次に図１０に基づいて本発明の第５実施形態を説明する。
第５実施形態のイオン源１０は、分岐孔２１を通過したイオンの飛行軌道２２を延長させる延長機構４４をさらに備えている。
なお、図１０において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

延長機構４４として、ベローズを採用することにより、真空状態を維持したまま長さ可変とすることも可能である。
このように、イオンの飛行軌道２２を延長することにより、イオンの空間電荷効果を抑制し、さらにイオンの飛行距離の延長により検出ピークを時間的に離間させることができる。

以上述べた少なくともひとつの実施形態のイオン源によれば、イオンの飛行軌道上に通過断面を絞るスリットを配置することにより、不純物イオンの検出精度を向上させ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。

１０…イオン源、１１…真空容器、１２…ターゲット、１３…レーザ、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、１９…プラズマ輸送管、２０…分析部、２１…分岐孔、２２…飛行軌道、２３（２３ａ，２３ｂ）…検出部、２４（２４ａ，２４ｂ）…スリット、２５…ポート、２６…誘導管、２７…カートリッジ、２８…遮断部、２９（２９ａ，２９ｂ）…開口、３０…シャッター、３１（３１ａ，３１ｂ，３１ｃ）…ウインドウ、３２…回転軸、３３…筒体、３４…弁体、４１…シンチレータ、４２…光電子増倍管、４３…静電デフレクタ、４４…延長機構、Ｘ…イオンビームの主軸。

Claims (4)

1. 真空容器に収容され、レーザパルスの照射によりプラズマを生じさせるターゲットと、
   前記真空容器に設けられ前記プラズマから引き出されるイオンビームが通過する通過孔と、
   前記真空容器に設けられ前記イオンビームの主軸に対し前記ターゲット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と、
   前記分岐孔を通過したイオンの飛行軌道上に配置される検出部と、
   前記検出部よりも手前の前記飛行軌道上に配置され前記イオンの通過断面を絞るスリットと、を備え、
   前記飛行軌道上には、前記レーザパルス発振周期に同期する開閉動作によるか、又は前記レーザパルスの前記ターゲットへの照射に伴う発光の検出値に対して設けた閾値に基づく開閉動作により、前記イオンが飛来する以前に到達する前記発光を遮断するシャッターを備えることを特徴とするイオン源。
2. 前記スリットは、前記飛行軌道上に複数配置されることを特徴とする請求項１に記載のイオン源。
3. 前記分岐孔を通過したイオンの飛行軌道に曲率を付与する静電デフレクタをさらに備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のイオン源。
4. 前記分岐孔を通過したイオンの飛行軌道を延長させる機構をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のイオン源。

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