JP6283259B2 - マイクロ波イオン源 - Google Patents

Description

本発明は、粒子線治療装置や中性子生成装置、半導体製造装置などのイオンビームを利用する装置に用いられるマイクロ波イオン源に関する。

永久磁石とソレノイドコイルを用いて放電室内の磁場強度を変える方法として特許文献１に記載された技術がある。

この特許文献１には「放電室にガス及びマイクロ波導入口を備え、放電室の周囲に永久磁石を配置し、その外周にソレノイドコイルを配置し、かつ前記永久磁石による磁界を、前記放電室において、主としてその軸方向に発生させるようにすることにより達成される。

すなわち、放電室の磁界は、ソレノイドコイルに導電することによって生じる磁界と永久磁石の作る磁界とが重畳されたものとなり、ソレノイドコイルの電流を調整することにより、この磁界の大きさを変えることができる」と記載されている。

また、特許文献２には「磁場中のマイクロ波放電によって放電箱内でプラズマを発生し、引出し電極を用いてスリットを通してイオンビームを引き出すマイクロ波イオン源において、放電箱の側面に、磁性体でできた少なくとも一対以上の磁場補正用ポールピースを、放電箱を挟むように取り付けることによって、スリット位置及びその手前におけるスリットの幅の狭い方向の磁力成分が打ち消され、引出しイオンビームが平衡となるため、大電流イオンビームを得ることができる」と記載されている。

特開平４−１２９１３３号公報 特開平６−３０２２９３号公報

上記従来のマイクロ波イオン源では、特許文献１に記載された技術のように、永久磁石の外周に設けたソレノイドコイルや、特許文献２に記載された技術のように、真空中に設置した磁性体により磁場分布の調整を行っていた。

しかしながら、特許文献１に記載の技術は、ソレノイドコイルを用いるため、イオン源の小型化が難しく、多くの電力を消費する。

また、特許文献２に記載の技術においては、放電箱及び磁場補正用ポールピースは、共に真空室内に設置されるため、磁場補正用ポールピースによる磁場調整の際は、真空室を毎回大気にし、その後、再び真空室内を真空にする必要があり、磁場調整作業が煩雑であった。

以上のことから、従来の技術におけるマイクロ波イオン源は、小型で消費電力が小さく、容易に磁場分布が調整可能となるように構成することは考慮されていなかった。

本発明の目的は、大電流イオンビームが引出し可能なプラズマを生成するための磁場分布を形成し、さらにその磁場分布を大気側から容易に調整可能な構造を有するマイクロ波イオン源を実現することである。

上記目的を達成するため、本発明は次のように構成される。

本発明のマイクロ波イオン源は、試料ガスが導入され、プラズマが形成される放電室を有するイオン源本体と、上記放電室内に磁場を形成する永久磁石と、上記放電室に発生するイオンを取り出すイオン引出電極と、上記イオン源本体に接続され、上記放電室にマイクロ波を導入するリッジ導波管と、上記リッジ導波管が導入するマイクロ波を中心として対称に配置され、位置調整自在な少なくとも２つの磁性体とを備える。

そして、上記放電室及び永久磁石は真空室内に配置され、上記リッジ導波管及び２つの磁性体は、上記真空室の外側に取り付けられている。

本発明によれば、大電流イオンビームが引出し可能なプラズマを生成するための磁場分布を形成し、さらにその磁場分布を大気側から容易に調整可能な構造を有するマイクロ波イオン源を実現することができる。

本発明の実施例１におけるマイクロ波イオン源の概略構成断面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 マイクロ波イオン源において磁性体の取り付け前後における放電室の中心での上流側から下流側までの磁場分布を示す図である。 磁性体の位置を導入されるマイクロ波の軸方向に移動させた時のマイクロ波導入窓の大気側位置を中心とした場合の磁場強度を示す図である。 磁性体の位置を変えて実際にイオンビームの引出しを行った場合の引出し電流の変化を示した図である。 本発明の実施例２におけるマイクロ波イオン源の概略構成断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

（実施例１）
図１は、本発明の実施例１におけるマイクロ波イオン源の概略断面図である。

図１において、本発明の実施例１におけるマイクロ波イオン源は、リッジ導波管２と、磁性体１と、マイクロ波導入窓５ａと、放電室６と、ライナー７と、永久磁石４と、引出し電極３とを備える。

また、図２は、図１におけるＡ−Ａ線に沿った断面図であり、表示してある符号は図１と同じものを示す。

図１、図２において、放電室６には試料ガス導入口８からプラズマ生成用のガスを導入する。マイクロ波導入窓５aは、大気圧側に配置されるリッジ導波管２側と、真空圧側となる放電室６側の真空を維持するほか、マイクロ波９を効率よく放電室６へ伝送する役割がある。

このため、マイクロ波導入窓５aとしては誘電率が低く緻密な材料を用いる必要がある。例えば、窒化アルミや石英などである。

なお、放電室６を含むイオン願本体１００は、真空室１１内に配置される。リッジ導波管２は、真空室１１外に配置され、上述したように、大気圧側に配置される。

逆流電子防止板５ｂは、放電室６のマイクロ波導入側に配置される。マイクロ波イオン源を正電位にして放電室６から正イオンを、引出し電極孔１０を通して引き出した場合、マイクロ波イオン源下流で生成された電子が放電室６内に逆流する。

逆流電子防止板５ｂを配置していなければ、逆流電子がマイクロ波導入窓５ａに衝突してマイクロ波導入窓５aを損傷させる。これを防止するために、逆流電子防止板５ｂは、マイクロ波導入窓５ａより放電室６側に配置され、熱に強く、低誘電率でマイクロ波９を効率よく放電室６へ伝送可能な材質のものが用いられる。例えば、窒化ボロンなどである。

また、パルスイオンビーム引出しなどの逆流電子による熱負荷が小さい場合には、マイクロ波導入窓５ａに熱に強い窒化アルミを用いて逆流電子防止板５ｂを省略することも可能である。

放電室６の周囲には永久磁石４を配置している。永久磁石４は、例えば、断面四角の棒状のものを複数個用いたものを使用する。永久磁石４の断面形状は特に制限するものではなく、丸型などでも問題はない。あるいは放電室６周方向に一体となったリング状のものでも構わない。

ただし、放電室６の中心での磁場の方向は引出し電極３に向かうか、あるいはリッジ導波管２に向かう方向である。

このため、磁場方向をリッジ導波管２に向かう方向とする場合には、例えば、永久磁石４の向きは、放電室６の上流（リッジ導波管２側）がＮ極、放電室下流側がＳ極になるように配置し、放電室６内に軸方向の磁場が生成されるようにする。

放電室６は、円筒状であり、その大きさは導入するマイクロ波の周波数によって適正に決定することで、大電流が引出し可能となる。例えば、２．４５ギガヘルツのマイクロ波の場合、直径７２ミリメートル以上である。しかし、７２ミリメートル以下であってもプラズマの生成は可能であるため、特に制限するものではない。

引出し電極３の放電室６側を含む放電室６の内面には絶縁物で形成されたライナー７を設置し、金属製の放電室６を覆うようにした。ライナー７を形成する絶縁物は高温に強く真空中で使用可能な窒化ボロンなどである。

ただし、放電室６のマイクロ波導入部のマイクロ波導入窓５ａ付近は、放電室６の金属面が露出するようにしてある。

引出し電極３は磁性材料とし、引出し電極３近傍の磁場強度を増加させている。また、引出し電極３の中心部にはイオンビームを引き出す、引出し電極孔１０を設けている。

引出し電極孔１０は円形で、その大きさによって引き出される電流量が変化する。引出し電極孔１０の直径はたとえば５ミリメートルなどである。また、図１に示した例では、引出し電極孔１０は１個であるが、複数個配置したものでも構わない。

これにより、さらに大電流引出しが可能となる。

リッジ導波管２は、一般に中心部のギャップが狭まった形をしており、その断面を図２に示してある。例えば、２．４５ギガヘルツのマイクロ波９を使用する場合、本発明の実施例１では中心部の開口幅（ギャップ幅）は４．６ミリメートル、幅（ギャップの長さ）３８ミリメートルとした。この値は特に制限するものではなく放電室６の直径などから決定したものである。

リッジ導波管２のマイクロ波導入の上流開口部は矩形であり、一例として、縦３４．０４ミリメートル、横７２．１４ミリメートルである。そして、この上流開口部が徐々に縮小し、図２に示したようなギャップが狭まった形状となる。このような形状により、マイクロ波電界を中心部に集中し、放電室６内で効率よくプラズマを発生することができる。

また、リッジ導波管２は、開口部が縮小する形状となっているので、この部分に２つの磁性体１を配置することができる。

つまり、リッジ導波管２は、ダブルリッジ導波管であり、マイクロ波が導入される開口部からマイクロ波の進行方向に向かって、開口面積が減少し、２つの磁性体１は、リッジ導波管２のマイクロ波出射側の端部に着脱可能に取り付けられている。

なお、実施例１では、磁性体１は、リッジ導波管２内に挿入される構成となっているが、磁性体１が挿入される部分を別体とし、リッジ導波管２と分離可能な構成とすることも可能である。

磁性体１は、この開口部の両端に中心に対して対称に２つ配置する。本実施例１では、例えば、磁性体１の中心と中心との間隔を２０ミリメートルとして配置した。

また、磁性体１は、一例として直径１０ミリメートルで長さ２５ミリメートルとし、周囲にねじが形成されている。リッジ導波管２にも同様にねじを加工することで、磁性体１を回転させることによって位置を容易に変更することが可能となる。磁性体１の材質としては、例えば、低炭素材が使用可能である。

リッジ導波管（ダブルリッジ導波管）２は、磁性体１と一体として形成され、ねじ止め等によりイオン源本体１００に固定される。そして、磁性体１の位置調整を行う場合は、ねじ止めを開放し、リッジ導波管２をイオン源本体１００から分離する。

そして、イオン源本体１００から分離したリッジ導波管２内に取り付けられた磁性体１を回転させて位置調整が行われる。

本実施例１のマイクロ波イオン源は、以下のようにしてイオンビームを得るように動作する。

放電室６内にガス導入口８から導入した試料ガスと、永久磁石４により発生した磁場と、マイクロ波９とにより発生した電場により、電子のサイクロトロン共鳴によってプラズマが生成され、図示していないが放電室６の下流に設置する電極によって引出し孔１０からイオンビームが引き出される。

マイクロ波９の周波数は、例えば、２．４５ギガヘルツなどであり、この場合、プラズマを生成するための電子のサイクロトロン共鳴の磁場強度は０．０８７５テスラである。この磁場強度を引出し電極３の近傍に生成し、更にマイクロ波導入窓５ａの近傍はサイクロトロン共鳴の磁場強度よりも強くすることで大電流が得られるプラズマが生成される。

また、生成されたイオンは金属表面で失われやすいため、イオンの生成効率を上げるためには放電室６内を絶縁物のライナー７で覆うことも重要である。しかし、プラズマを点火、維持するためには金属面も必要となるため、本実施例１ではプラズマが最初に点火するマイクロ波導入窓５ａの付近は金属表面とし、更にこの部分から試料ガスを導入している。

磁性体１の位置調整時には、上述したように、リッジ導波管２をイオン源本体１００から外し、磁性体１を回転させて位置を、例えば、図４に示したデータに基づいて調整した後、イオン源本体１００へ戻す。

放電室６は、通常真空となるため、マイクロ波導入窓５ａは真空室６に吸引されるため落下せず、リッジ導波管２だけ取り外すことができる。

これにより、イオン源を大気開放することなく磁場調整が可能となる。

本実施例１の位置調整が可能な磁性体１を配置した構成のマイクロ波イオン源において、磁性体１の取り付け前後における放電室６の中心での上流側から下流側までの磁場分布を図３に示す。この図３は、磁性体１が設置されていない場合を四角形で示した曲線とし、磁性体１が設置されている場合を丸印で示した曲線としている。

上述したように、磁性体１は直径１０ミリメートル、長さ２５ミリメートルのものを２０ミリメートル間隔で２つ取り付けた場合のものである。図３において、放電室６の上流に磁性体１がない場合、放電室６の上流では約０．０８テスラであるが、磁極１を取り付けることによって０．１テスラまで上昇している。

また、上記大きさの磁性体１の位置を、導入されるマイクロ波の軸方向に移動させた時のマイクロ波導入窓５ａの大気側位置を中心とした場合の磁場強度を図４に示す。

図４において、磁性体なしの場合を丸印で示し、磁性体１が配置された場合を四角形で示す。磁性体１の位置を調整することによって磁場強度が調整可能であることが分かる。

さらに、本実施例１のマイクロ波イオン源を用い、磁性体１の位置を変えて実際にイオンビームの引出しを行った場合の引出し電流の変化を図５に示す。

図５に示した結果は、直径５ミリメートルの引出し電極孔１０から引き出し電極３を含む３枚の電極（図示なし）を用いて、引出し電圧が、３０キロエレクトロンボルトの水素イオンビームを引出した場合の全引出し電流を示したものである。

図５に示すように、磁性体１を移動させることによって引き出されるイオンビームの量が変化する。

また、電流値ばかりでなくプラズマの点火しやすさなども変化することから、磁性体１を調整して最適な磁場にすることはマイクロ波イオン源において大電流を安定に引き出すためには重要な要素である。

以上のように、本実施例１は、ダブルリッジ導波管２内のマイクロ波通過線を中心として、互いに対称な位置に２つの磁性体１を配置し、磁性体１の位置調整可能とし、つまり、２つの磁性体１は、ねじ加工され、リッジ導波管２に形成され、ねじ加工された凹部に挿入され、上記磁性体が回転されることにより、磁性体１の位置が調整される。

また、ダブルリッジ導波管２を大気側に配置してイオン源本体１００と着脱可能に構成されている。また、ダブルリッジ導波管２を用いることにより、マイクロ波電界を中心部に集中し、放電室６内で効率よくプラズマを発生することができる。

したがって、永久磁石４を用いたマイクロ波イオン源において、磁場分布を容易に調整可能となる効果がある。さらに、磁場分布の調整が可能となるため永久磁石４により小型化したマイクロ波イオン源でも大電流のイオンビームを引き出せる効果がある。

（実施例２）
本実施例２は、大気側から容易に磁性体１の位置を調整できる機構を取り付けたマイクロ波イオン源の例である。

図６は、本発明の実施例２における磁性体を調整する機構を取り付けたマイクロ波イオン源を示す概略構成断面図である。

図１に示したマイクロ波イオン源のうち、既に図１に示された同一の符号を付された部分と同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

ただし、図６に示した例においても、イオン源本体１００は、図１に示した例と同様に、真空室１１内に配置される。

図６において、磁性体２１は実施例１の磁性体１と同様な構成となっているが、磁性体２１には、接続板２２が固定されている。磁性体２１の位置調整機構は、磁性体２１と、接続板２２と、位置調整棒２３とで構成される。接続板２２は、リッジ導波管２に空洞部（切欠き部）を形成し、この空洞部に配置される。

磁性体２１を非磁性体でできた接続板２２に固定し、その接続板２２には回転自由に位置調整棒２３が取り付けられている。位置調整棒２３には、ねじを施し、同様にリッジ導波管２にも孔を形成し、その孔にねじを施してねじ穴とし、位置調整棒２３を通す。実施例２の他の構成は、実施例１と同様となっている。

本実施例２の位置調整機構は次のように動作する。

接続板２２に固定された磁性体２１は、その接続板２２に回転自由に取り付けられた位置調整棒２３を回転することによって接続板２２とともに軸方向に移動することができる。位置調整棒２３及びリッジ導波管２に設けるねじはそのピッチをたとえば１ミリメートルにすれば、位置調整棒２３を１回転することで磁性体２１を１ミリメートル移動することができる。

なお、本実施例２を用いてイオンビームを引出した場合にも、実施例１と同様に磁場分布及び引出し電流が調整可能となる。

以上のように本実施例２によれば、実施例１と同様な効果を有する他、リッジ導波管２を外すことなく磁性体２１の位置を調整可能であり、磁場分布を容易に調整可能となる効果がある。

つまり、２つの磁性体２１は、リッジ導波管２に形成された切欠き部に配置され、この切欠き部内で２つ磁性体２１のそれぞれの一方端に接続板２２が接続され、この接続板２２に位置調整棒２３が接続され、この位置調整棒２３はねじ加工され、リッジ導波管２に形成され、ねじ加工された凹部に挿入され、位置調整棒２３が回転されることにより、磁性体２１の位置が調整される。

さらに、磁場分布の調整が可能となるため永久磁石４により小型化したマイクロ波イオン源でも大電流のイオンビームを引き出せる効果がある。

なお、上述した実施例１、２においては、磁性体１、２１は、ねじ構造を有する構成となっているが、ねじ構造以外の構成により、位置調整を行うことも可能である。

また、本発明の実施例１、２は、永久磁石４により、放電室６内に磁場を形成する構成としたが、永久磁石４の外周部にソレノイドコイルを形成し、このソレノイドコイルによりさらに、放電室６内の磁場強度を調整する構成とすることもできる。

また、本発明のマイクロ波イオン源は、粒子線治療装置、中性子生成装置、半導体製造装置などのイオンビームを利用する装置に適用可能である。

さらに、上述した例は、磁性体が２つの場合の例であるが、２つに限らず、それ以上の個数の磁性体を取り付けることも可能である。

１・・・磁性体、 ２・・・リッジ導波管、 ３・・・引出し電極、 ４・・・永久磁石、 ５ａ・・・マイクロ波導入窓、 ５ｂ・・・逆流電子防止板、 ６・・・放電室、 ７・・・ライナー、 ８・・・試料ガス導入口、 ９・・・マイクロ波、 １０・・・引出し電極孔、 １１・・・真空室、 ２１・・・磁性体、 ２２・・・接続板、 ２３・・・位置調整棒、 １００・・・イオン源本体

Claims (6)

1. 試料ガスが導入され、プラズマが形成される放電室を有するイオン源本体と、
   上記放電室内に磁場を形成する永久磁石と、
   上記放電室に発生するイオンを取り出すイオン引出電極と、
   上記イオン源本体に接続され、上記放電室にマイクロ波を導入するリッジ導波管と、
   上記リッジ導波管が導入するマイクロ波を中心として対称に配置され、位置調整自在な少なくとも２つの磁性体と、
   を備え、
   上記放電室及び永久磁石は真空室内に配置され、上記リッジ導波管及び２つの磁性体は、上記真空室の外側に取り付けられていることを特徴とするマイクロ波イオン源。
2. 請求項１に記載のマイクロ波イオン源において、
   上記リッジ導波管及び２つの磁性体は、上記イオン源本体に着脱可能に取り付けられていることを特徴とするマイクロ波イオン源。
3. 請求項１に記載のマイクロ波イオン源において、
   上記放電室のマイクロ波導入部には、マイクロ波導入窓及び低誘電率材からなる逆流電子防止板が取り付けられていることを特徴とするマイクロ波イオン源。
4. 請求項１に記載のマイクロ波イオン源において、
   上記リッジ導波管は、ダブルリッジ導波管であり、マイクロ波が導入される開口部からマイクロ波の進行方向に向かって、開口面積が減少し、上記２つの磁性体は、上記リッジ導波管のマイクロ波出射側の端部に着脱可能に取り付けられていることを特徴とするマイクロ波イオン源。
5. 請求項４に記載のマイクロ波イオン源において、
   上記２つの磁性体は、ねじ加工され、上記リッジ導波管に形成され、ねじ加工された凹部に挿入され、上記磁性体が回転されることにより、上記磁性体の位置が調整されることを特徴とするマイクロ波イオン源。
6. 請求項４に記載のマイクロ波イオン源において、
   上記２つの磁性体は、上記リッジ導波管に形成された切欠き部に配置され、この切欠き部内で上記２つの磁性体のそれぞれの一方端に接続板が接続され、この接続板に位置調整棒が接続され、この位置調整棒はねじ加工され、上記リッジ導波管に形成され、ねじ加工された凹部に挿入され、上記位置調整棒が回転されることにより、上記磁性体の位置が調整されることを特徴とするマイクロ波イオン源。

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