JP7449747B2 - イオン源ガス配管構造およびイオン源ガス配管システム - Google Patents

イオン源ガス配管構造およびイオン源ガス配管システム Download PDF

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本発明は、イオン源ガス配管構造およびイオン源ガス配管システムに関する。
特許文献１では、サイクロトロンに対してイオン源からの荷電粒子を導入し、真空中で荷電粒子を加速させる構成が開示されている。
特開２００５－２８５４４８号公報
高電圧が印加されるイオン源では、イオン源本体に対してガス源等を遠方に設置したい場合や安全上の観点から、イオン源とガス源との間のガス配管に絶縁性を確保するための領域を設ける場合がある。しかしながら、このような構成を設けた場合、イオン源のフィラメントが短期で劣化する場合があった。
本開示は、絶縁性を確保しつつイオン源のフィラメントの短寿命化を防ぐことが可能な技術を提供する。
上記目的を達成するため、本開示の一形態に係るイオン源ガス配管構造は、イオン源ガス貯留部からのイオン源ガスをイオン源へ供給するイオン源ガス配管構造であって、前記イオン源ガス貯留部と前記イオン源へのガス導入部との間に設けられてガス配管の絶縁性を確保する絶縁部を有し、前記絶縁部は、ガスを流通させるための配管であって酸素透過性を有する絶縁性配管と、前記絶縁性配管の外側に設けられて前記絶縁性配管における酸素の透過を防ぐ酸素透過防止構造と、を含む。
また、本開示の一形態に係るイオン源ガス配管システムは、イオン源ガス貯留部とイオン源との間に設けられる配管システムであって、前記イオン源ガス貯留部と前記イオン源へのガス導入部との間を接続するガス配管と、前記ガス配管の途中に設けられて前記ガス配管の絶縁性を確保する絶縁部と、を有し、前記絶縁部は、ガスを流通させるための配管であって酸素透過性を有する絶縁性配管と、前記絶縁性配管の外側に設けられて前記絶縁性配管における酸素の透過を防ぐ酸素透過防止構造と、を含む。
上記のイオン源ガス配管構造およびイオン源ガス配管システムによれば、イオン源ガス貯留部とイオン源のガス導入部との間に設けられる絶縁部において、酸素透過性を有する絶縁性配管の外側に絶縁性配管における酸素の透過を防ぐ酸素透過防止構造が設けられる。そのため、絶縁部においてイオン源ガスが酸素と触れることが防がれるため、配管構造における絶縁部において絶縁性を確保しつつ、イオン源ガスへの酸素の混入によるイオン源のフィラメントの短寿命化を防ぐことを可能とする。
前記酸素透過防止構造は、前記絶縁性配管の周囲を覆う管状構造体と、前記絶縁性配管と、によって形成される二重管構造である態様とすることができる。
上記のように二重管構造とすることによって、酸素透過防止構造を簡単に実現することができる。そのため、絶縁部において絶縁性を確保しつつイオン源のフィラメントの短寿命化を防ぐことをより低コストかつ簡単に実現することができる。
前記絶縁性配管と前記管状構造体との間に不活性ガスが充填される態様とすることができる。
前記絶縁性配管と前記管状構造体との間は真空である態様とすることができる。
本開示によれば、絶縁性を確保しつつイオン源のフィラメントの短寿命化を防ぐことが可能な技術が提供される。
図１は、一形態に係るイオン源装置の上面からの概略構成図である。 図２は、一形態に係るイオン源装置の正面からの概略構成図である。 図３は、配管構造における絶縁部を模式的に示した図である。
以下、添付図面を参照して、本開示を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
図１および図２は、イオン源を含むイオン源装置の概略構成図である。図２に示すように、イオン源装置１は、イオン源２と、イオン源ガス貯留部３と、不活性ガス貯留部４と、配管システム５（イオン源ガス配管システム）と、を有する。
イオン源２は、例えば、イオン源ガスを供給してアーク発電によりプラズマを発生させ、プラズマ中の特定成分のイオンを、引出電極を用いて取り出す装置である。イオン源２の種類は特に限定されないが、例えば、マルチカスプイオン源、熱陰極型ＰＩＧ(Penning又はPhillips Ionization Gauge)イオン源等、フィラメントを用いるイオン源とすることができる。図１に示すイオン源装置１の各部は、イオン源２においてプラズマを発生させるチャンバ内へイオン源ガスを供給する装置である。
イオン源ガス貯留部３は、イオン源ガスを貯留する機能を有している。イオン源ガス貯留部３は、例えば、ガスタンク等とすることができる。イオン源ガス貯留部３において貯留されるガスとしては、例えば、イオン源２におけるイオンビームの生成に供される水素（Ｈ２）ガス等が挙げられる。ただし、イオン源ガスの種類は上記に限定されるものではない。なお、イオン源ガス貯留部３は原則的に電気的に接地されている。
不活性ガス貯留部４は、後述の配管システム５のうち絶縁部５２において使用される不活性ガスを貯留する機能を有している。不活性ガス貯留部４は、例えば、ガスタンク等とすることができる。不活性ガス貯留部４において貯留されるガスとしては、例えば、窒素（Ｎ２）、アルゴン（Ａｒ）が挙げられる。ただし、不活性ガスの種類は上記に限定されるものではない。
配管システム５は、イオン源ガス貯留部３のイオン源ガスをイオン源２へ供給するまでのガス配管およびその関連物の配置（イオン源ガス配管構造）を含むシステムである。具体的には、配管システム５には、イオン源ガス貯留部３に接続されるガス配管を含んで構成される前段部５１と、前段部５１に接続されるとともにガス配管として機能し絶縁性を有する絶縁性配管を含んで形成される絶縁部５２と、絶縁部５２よりもイオン源２側に設けられて、イオン源２のガス導入部２１（図２参照）に接続される高圧部５３と、を含む。前段部５１、絶縁部５２、および、高圧部５３は、いずれもイオン源ガスを内部に流通させるガス配管（ガス配管６１、絶縁性配管７１、ガス配管６２）を含んでいる。絶縁部５２は、イオン源ガス貯留部３とイオン源２とを接続するガス配管の途中に設けられている。
前段部５１は、イオン源ガス貯留部３と絶縁部５２との間を接続する領域である。前段部５１は、イオン源ガスを内部に流通させるガス配管６１を含んで構成される。ガス配管６１は、例えば、ＳＵＳ（ステンレス鋼）によって構成され得る。
絶縁部５２は、前段部５１と高圧部５３との間に設けられて、イオン源ガスを流通させる配管の絶縁性を確保するための領域である。詳細は後述するが、高圧部５３のガス配管はイオン源２において高電圧が付加される部分と同じ電位となり得る。一方、イオン源ガス貯留部３は、接地されている。そのため、高圧部５３と、前段部５１およびその上流のイオン源ガス貯留部３との間に、絶縁性を確保するための絶縁部５２を設けることで、前段部５１が高圧部５３と同じ電位になることを避けている。イオン源ガス貯留部３および不活性ガス貯留部４は、イオン源２から離間して設置される場合がある。一例として、図１に示すように、イオン源ガス貯留部３および不活性ガス貯留部４が、イオン源２の周囲を囲む防護柵９０の外部に設けられる場合がある。この場合、配管システム５は防護柵９０の外部にも設けられるため、安全確保の観点から、絶縁部５２が設けられ得る。絶縁部５２の長さは、高圧部５３に対してその前段の絶縁性を十分に確保可能な長さであればよく、例えば、イオン源装置１のイオンの加速エネルギーなどの仕様によるが、絶縁部５２の長さは１ｍ～１．５ｍ程度とすることができる。
絶縁部５２は、例えば絶縁性の樹脂材料等からなる絶縁性配管７１と、絶縁性配管７１の周囲に設けられる管状構造体７２とによる二重管構造とされている。絶縁性配管７１は、例えば、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン樹脂）によって構成され得る。このように、絶縁性配管７１は、ＳＵＳ等と比べて酸素透過性を有する材料が選択され得る。この二重管構造は、絶縁性配管７１内への酸素の透過を防ぐ酸素透過防止構造として機能する。
管状構造体７２は、例えば、塩化ビニル等の樹脂によって構成され得る。管状構造体７２は、酸素透過性を有しない材料が選択されてもよい。図３に示すように、絶縁性配管７１と管状構造体７２との間には、円筒形状を有する空間Ａが形成される。絶縁性配管７１および管状構造体７２の上端には、空間Ａを閉じた空間とするための蓋部７３が設けられる。絶縁性配管７１および管状構造体７２の下端にも、空間Ａを閉じた空間とするための蓋部７４が設けられる。蓋部７３には、内部の空間Ａに対してガスを導入するための導入口７５が設けられる。蓋部７４には、内部の空間Ａからガスを排出するための排出口７６が設けられる。このように、絶縁部５２では、絶縁性配管７１の周囲が管状構造体７２に覆われることで、絶縁性配管７１の周囲に閉じた空間Ａが形成される。
高圧部５３は、絶縁部５２とイオン源２との間を接続する領域である。高圧部５３は、イオン源ガスを内部に流通させるガス配管６２を含んで構成される。ガス配管６２は、例えば、ＳＵＳ管によって構成され得る。
また、配管システム５は、絶縁部５２における二重管構造の内部に不活性ガス貯留部４からの不活性ガスを導入するための配管を有する。また、二重管構造の内部に不活性ガスを充填した状態を維持するための構造を有する。この点についてさらに説明する。
図１および図２に示すように、不活性ガス貯留部４と絶縁部５２との間には、例えばＳＵＳ製のガス配管６３が設けられる。ガス配管６３は、絶縁部５２の上端の蓋部７３に設けられた導入口７５に対して接続される。これにより、不活性ガス貯留部４から不活性ガスを空間Ａ内に導入することが可能とされている。また、絶縁部５２の下端の蓋部７４に設けられた排出口７６には、内部の不活性ガスを外部へ排出するためのＳＵＳ製のガス配管６４が接続される。
また、ガス配管６３には、内部の流路の開閉を切り替える手動バルブ６５が設けられる。また、ガス配管６４には、内部の流路の開閉を切り替える手動バルブ６６が設けられる。さらに、ガス配管６４には、手動バルブ６６と排出口７６との間に圧力計６７が設けられる。
絶縁部５２は、上記の構成を有することにより、空間Ａに対してその上部から導入口７５を介して不活性ガスが導入される。また、排出口７６を介して外部に不活性ガスが排出され得る。空間Ａへの不活性ガスの導入は手動バルブ６５の開閉によって行われる。また、空間Ａからの不活性ガスの排出は手動バルブ６６の開閉によって行われる。空間Ａ内の圧力は、排出口７６を介して空間Ａと接続されるガス配管６４に設けられた圧力計６７によって監視することができる。
上記の配管システム５を有するイオン源装置１では、イオン源装置１の動作前に、手動バルブ６５，６６を操作して、絶縁部５２の空間Ａ内に不活性ガスを導入し、内部の空気を不活性ガスに置換する。空間Ａ内の不活性ガスが所定の圧力になった状態で、手動バルブ６５，６６を閉じる。イオン源２の動作中は、この状態で、イオン源ガス貯留部３からイオン源２へ向けて、前段部５１、絶縁部５２、および、高圧部５３を経てイオン源ガスを導入する。この間、圧力計６７によって、空間Ａ内のガスの圧力を定期的に監視する。そして、空間Ａ内のガスの圧力が低下している場合には、手動バルブ６５を操作すること等によって、不活性ガスの再充填を行う。イオン源装置１の使用が終了した際には、空間Ａ内の不活性ガスを外部に排出し、不活性ガス貯留部４との接続を解除してもよい。
以上のように、本実施形態に係るイオン源装置１に含まれる配管システム５に含まれる配管構造では、イオン源２のガス導入部２１と、イオン源ガス貯留部３との間に設けられる絶縁部５２において、酸素透過性を有する絶縁性配管７１の外側に絶縁性配管７１における酸素の透過を防ぐ酸素透過防止構造が設けられる。そのため、絶縁部５２においてイオン源ガスが酸素と触れることが防がれるため、配管構造における絶縁部５２において絶縁性を確保しつつ、イオン源２のフィラメントの短寿命化を防ぐことを可能とする。
イオン源２において高電圧が印加される結果、高圧部５３のガス配管６１は高い電位となるため、それよりも前段（イオン源ガス貯留部３に近い側）に絶縁部５２を設けることで、絶縁部５２よりも前段が接地された状態となるように調整される。絶縁部５２では、ガス配管自体を絶縁性の材料で構成する必要がある。ただし、自己シールド型サイクロトロンのように配管の設置スペースが限られている場合には、ガス配管のとりまわしを容易にするために柔軟性を有する樹脂材料等が絶縁部５２でのガス配管として選択することが好ましいと考えられている。
しかしながら、樹脂製の配管を絶縁部５２でのガス配管として用いた場合、イオン源２のフィラメントが劣化するまでの期間が短くなることが確認された。発明者らが鋭意検討の結果、イオン源ガスに微量の酸素が混入していることが発見された。さらに詳細に検討した結果、実際に、絶縁性配管として大気中の酸素がガス配管を透過し得るＰＥＥＫを用い、その周囲が大気にさらされた絶縁部をイオン源ガスの配管中に設けた場合と、絶縁部を設けずＳＵＳ管のみでイオン源ガスの配管を構成した場合とでは、イオン源２のフィラメントの寿命が大きく異なることが確認された。すなわち、樹脂材料によって構成された絶縁部５２を介して大気中の酸素がイオン源ガスに混入することが推定された。この推定は、フィラメントに用いられるタングステン等の酸化が、フィラメントの寿命を短くすることに寄与するという一般的に知られている事象と一致していると考えられる。このように、発明者らは、絶縁部５２におけるイオン源ガスへの酸素の混入がイオン源２のフィラメントの短寿命化に影響していることを見出した。
絶縁部５２におけるイオン源ガスへの酸素の混入という上述の課題への対策として、例えば、より酸素透過性が低く且つ絶縁性を有する材料に変更することも考えられる。一例として、絶縁部５２のガス配管を、絶縁性を有し且つガス透過性が低いセラミック材料に変更することが考えられる。しかしながら、絶縁部５２は、ガス配管における絶縁を確保するために十分な長さが求められるため、コストの高い材料に変更することでコストが増大する可能性があった。また、セラミック材料は、上述のようにガス配管のとりまわしを容易にすることが求められる場所への適用が難しいことが考えられた。
これに対して、上記の配管システム５およびイオン源ガス配管構造では、絶縁部５２における酸素透過防止構造として、絶縁性配管７１と管状構造体７２とによる二重配管構造を設けることで、絶縁性配管７１が大気と触れることが防がれる。したがって、絶縁性配管７１内を流れるイオン源ガスに対して大気中の酸素が混入することを防ぐことができるため、上記のようなイオン源２のフィラメントの劣化等を防ぐことができる。また、絶縁部５２に含まれる絶縁性配管７１および管状構造体７２がいずれも柔軟性を有する材料である場合、ガス配管に係るとりまわしの容易性が保たれつつ、イオン源ガスへの酸素の混入が抑制される。
また、酸素透過防止構造が酸素以外の外部の活性ガスの混入も防ぐことも可能である場合、酸素とは異なる活性ガスがイオン源ガスに対して混入してイオン源２の各部に影響を与えることを防ぐことができる。
一例として、上記実施形態の配管システム５では、絶縁性配管７１の周囲に管状構造体７２が設けられた二重管構造とされている。このような構造とすることで、二重管構造を経て酸素以外の気体がイオン源ガスと混合されることも防がれるため、酸素以外のガスによる影響も防ぐことができる。
また、上記の二重管構造によれば、酸素透過防止構造を簡単に実現することができる。そのため、絶縁部５２において絶縁性を確保しつつイオン源２のフィラメントの短寿命化を防ぐことを、より低コストかつ簡単に実現することができる。また、二重管構造は、既存のイオン源装置に対しても容易に適用することができる。例えば、絶縁性配管のみによって構成された絶縁部が既存のイオン源装置のイオン源ガスに係る配管構造として設けられている場合、絶縁性配管の周囲に管状構造体を設けて二重管構造に変更することが可能な場合がある。このように、二重管構造は既存のイオン源装置にも適用しやすいという点で有利である。
また、上記の配管システム５では、絶縁性配管７１と管状構造体７２との間に不活性ガスが充填される。このような構造とすることで、不活性ガスが絶縁性配管７１の周囲に存在する環境が形成されるため、周囲の不活性ガス以外のガスがイオン源ガスと混入することを容易に防ぐことができる。
また、上記の配管システム５では、手動バルブ６５，６６を閉じて空間Ａ内に不活性ガスを充填させた状態、イオン源２を動作させるため、不活性ガスの使用量は少なくすることができる。また、上記の手動バルブ６５，６６の開閉のみで不活性ガスの充填等を行うことができるだめ、電源装置等を別途設けないという点でより簡素な装置で実現することができ、コストを抑制することができる。なお、圧力計６７とバルブとを連動させる制御部を設けて、圧力計６７の計測結果に基づいてバルブを自動制御する構成としてもよい。
なお、本開示は、上述の実施形態に限定されるものではない。
例えば、空間Ａを挟む二重管構造を形成するための構成は適宜変更し得る。また、絶縁性配管７１と管状構造体７２との間の空間Ａは、不活性ガスを充填することに代えて真空としてもよい。空間Ａを真空とした場合でも、空間Ａを介して酸素等がイオン源ガスと混入することを防ぐことができる。
なお、空間Ａに不活性ガスが充填される場合、空間Ａに形成される不活性ガスの層が絶縁性配管７１における酸素の透過を抑制する構造として機能し得る。したがって管状構造体７２が酸素を透過する可能性のある材料で構成されていたとしても、二重配管構造は酸素透過防止構造として機能し得る。ただし、管状構造体７２が酸素を透過しない材料によって構成される場合、二重配管構造による酸素透過防止機能が向上することはいうまでもない。
また、二重管構造とは異なる構造によって絶縁部５２における酸素透過防止構造を実現してもよい。例えば、絶縁性配管７１の外周に酸素透過機能を有する膜等を形成することによって、酸素透過防止構造を形成してもよい。この場合でも、絶縁性配管７１自体が大気と接する可能性が低減されるため、絶縁性配管７１を酸素が透過することを抑制することができる。
１…イオン源装置、２…イオン源、３…イオン源ガス貯留部、４…不活性ガス貯留部、５…配管システム、２１…ガス導入口、５１…前段部、５２…絶縁部、５３…高圧部、６１，６２，６３，６４…ガス配管、６５，６６…手動バルブ、６７…圧力計、７１…絶縁性配管、７２…管状構造体、７３，７４…蓋部、７５…導入口、７６…排出口。

Claims (2)

  1. イオン源ガス貯留部からのイオン源ガスをイオン源へ供給するイオン源ガス配管構造であって、
    前記イオン源ガス貯留部と前記イオン源のガス導入部との間に設けられてガス配管の絶縁性を確保する絶縁部を有し、
    前記絶縁部は、
    ガスを流通させるための配管であって酸素透過性を有する絶縁性配管と、
    前記絶縁性配管の外側に設けられて前記絶縁性配管における酸素の透過を防ぐ酸素透過防止構造と、
    を含み、
    前記酸素透過防止構造は、前記絶縁性配管の周囲を覆う管状構造体と、前記絶縁性配管と、によって形成される二重管構造であり、
    前記絶縁性配管と前記管状構造体との間に不活性ガスが充填され、
    前記管状構造体には、当該管状構造体の長手方向における一方の端部に、前記不活性ガスを導入する導入部が設けられ、前記長手方向における他方の端部に、前記不活性ガスを排出する排出部が設けられる、イオン源ガス配管構造。
  2. イオン源ガス貯留部とイオン源との間に設けられる配管システムであって、
    前記イオン源ガス貯留部と前記イオン源のガス導入部との間を接続するガス配管と、
    前記ガス配管の途中に設けられて前記ガス配管の絶縁性を確保する絶縁部と、を有し、
    前記絶縁部は、
    ガスを流通させるための配管であって酸素透過性を有する絶縁性配管と、
    前記絶縁性配管の外側に設けられて前記絶縁性配管における酸素の透過を防ぐ酸素透過防止構造と、
    を含み、
    前記酸素透過防止構造は、前記絶縁性配管の周囲を覆う管状構造体と、前記絶縁性配管と、によって形成される二重管構造であり、
    前記絶縁性配管と前記管状構造体との間に不活性ガスが充填され、
    前記管状構造体には、当該管状構造体の長手方向における一方の端部に、前記不活性ガスを導入する導入部が設けられ、前記長手方向における他方の端部に、前記不活性ガスを排出する排出部が設けられる、イオン源ガス配管システム。
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