JPH01173600A - 荷電粒子加速器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、荷電粒子加速器に関し、更に詳しくは、高周
波電場を利用して荷電粒子（ビーム）の加速・集束を行
うことができる荷電粒子加速器に関する。

〔従来の技術〕

従来の荷電粒子加速器として、ＲＦ　Ｃ（Ｒａｄｉ。

Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ）といわれ
る線型加速器が知られており、例えば特開昭６０−１１
５１９９号公報に開示されている。

このＲＦＱは、４−ベイン構造といわれる特殊な構造の
電極に所定の位相を持つ高周波電圧を印加し、４−ベイ
ン構造の中心軸方向成分と４重極成分とを持つ電場を形
成し、中心軸方向成分の電場により加速を行い、４重極
成分の電場により集束を行わせるものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記ＲＦＣは、取り扱いが容易であり、性能も優秀であ
るが、上述のように４−ベイン構造といわれる特殊な電
極構造とするため、製作が容易でないという問題点をを
している。即ち、電極の形状が特殊な波型であり且つ高
い精度が要求されるため、ＮＣフライスを用いても高度
な加工技術が必要となる。また、組み立てにも高精度が
要求される。

従って、本発明の目的とするところは、取り扱い易く、
加速・集束力に優れ、且つ、製作が容易な荷電粒子加速
器を提供することにある。

〔発明の構成〕

本発明の荷電粒子加速器は、中心軸に向って凸面形状を
なす２枚の電極を中心軸に対称に配置して電極対となし
、その電極対を多数中心軸に沿って互いに絶縁間隙をあ
けて並べ設け第一列の対向電極対群とし、その第一列の
対向電極対群と同様の第二列の対向電極対群を電極対の
対向方向が第一列と第二列とで直交するように設け、さ
らに、各電極に所定位相の高周波電圧を印加して中心軸
方向成分と四正極成分とをもつ電場を電極間に形成させ
る高周波電圧印加手段を具備したことを構成上の特徴と
するものである。

上記構成において、電極の凸面形状は、双曲線状とする
ことが好ましい。

〔作用〕

本発明の荷電粒子加速器では、ＲＦＱのような特殊な波
型をした電極を用いず、多数の凸面形状をなす電極を配
列した構造となっている。このため、電極形状が単純と
なる等の点で製作が容易となる。

更に、加速のための電場は、中心軸方向に隣り合う電極
の配置と印加する高周波電圧で規定でき、集束のための
電場は、中心軸の周方向に隣り合う電極の軸方向の長さ
と電極に内接する円の半径（ボーア半径という）で規定
でき、各々独立なパラメータとして取り扱えるので、設
計が容易となる。

〔実施例〕

以下、図に示す実施例に基づいて本発明を更に詳しく説
明する。ここに第１図は本発明の荷電粒子加速器の一実
施例の電極構造を示す斜視図、第２図は第１図に示す電
極と高周波電圧印加手段を示す概念図、第３図は第１図
及び第２図に示す荷電粒子加速器の作動の説明図、第４
図は本発明の他の一実施例の荷電粒子加速器の電極構造
を示す斜視図、第５図は第４図に示す電極と高周波電圧
印加手段を示す概念図、第６図は第４図及び第５図に示
す荷電粒子加速器の作動の説明図、第７図はラザフォー
ド後方散乱／粒子励起Ｘ線分析装置の概念図、第８図は
イオン注入装置の概念図である。なお、これにより本発
明が限定されるものではない。

第１図に示す荷電粒子加速器１において、電極Ａ１とＣ
８とは、中心軸ｌに向かって凸面の双曲線状形状であり
、中心軸ｌについて対称の位置で対向し、電極対（Ａ＋
、Ｃ＋）を形成している。

そして、電極対（Ａ＋　、Ｃ＋　）と同様の電極対（Ａ
２　、　Ｃ２）　、　　（Ａ３　、　Ｃ３）　、・・・
、が、中心軸ｌに沿って並べ設けられ、第一列の対向電
極対群（ＡＬ、Ｃ＆）を形成している。

電極Ａ、の中心軸ｌ方向の幅Ｗ、は、荷電粒子の速度を
Ｒ４とし、高周波電圧の周波数をｆとする時、Ｗｉ　＝
Ｒｉ　／２　ｆの関係に基づいて規定されている。

荷電粒子の速度Ｒ，は、中心軸ｌ方向に隣り合う電極間
の電位差を■、とじ、荷電粒子の電荷をｑとし、質量を
ｍとし、入射エネルギーをＥｏとする時、 Ｒ，＝　（（ｑΣｖ、　＋　Ｒ６）　／ｍｌ　’Ａであ
る。

中心軸β方向の電極間のギャップは、この荷電粒子加速
Ｂ１では一定となっている。但し、変化させても良い。

他方、電極Ｂｌとり、とて上記と同様の電極対（Ｂ＋、
Ｄ＋）が形成され、同様の電極対（Ｂ２゜Ｂ２）、　　
（Ｂ２　、Ｂ２　）　、・・・、が中心軸ｌの方向に並
べ設けられ、第二列の対向電極対群〔Ｂ、。

Ｄ、〕が構成されている。

第一列の対向電極対群（Ａｉ、Ｃｉ）と第二列の対向電
極対群（Ｂｉ、Ｄ工〕の各々の対向方向は直交している
と共に、両対向電極対群の中心軸ｌの方向の電極の配Ｗ
は！／２ピッチずれている。

このような電極配置は、絶縁材スペーサー２によって容
易に規定することができる。

各電極Ａ、、Ｂ、、Ｃえ、ＤＬには、第２図に示すよう
に、高周波電圧印加手段３から所定位相の高周波電圧が
印加される。即ち、中心軸ｌ方向に隣り合う電極間では
、１／２周期の位相差となり、且つ、中心軸ｌの周方向
（Ｓ方向）に隣り合う電極間では１／４周期の位相差と
なるように高周波電圧が印加されている。

例えば、電極Ｂ２を基準にして考えると、中心軸β方向
に隣り合う電極Ｂ１及びＢ３とは１／２周期の位相差を
有しており、周方向（Ｓ方向）に隣り合う電極Ａ、、Ａ
２＋　　ｃ、、Ｃ２とば１／４周期の位相差を存してい
る。対向する電極は同電位とされる。

次に、第３図を参照し、上記荷電粒子加速器ｌの作動を
説明する。

まず、電極対（Ａ＋、Ｃ＋）の電位が０で、電極対（Ｂ
＋、Ｄ＋）の電位が正で、電極対（Ｂ２゜Ｂ２）の電位
が負である時刻をｔｌとし、その時刻１．から高周波電
圧の１／２周期毎の時刻をそれぞれ１．．１３，１．と
すると、各電極間の電場は、図の破線矢印のようになる
。但し、破線矢印は説明に必要な部分のみ示している。

時刻も、において正の荷電粒子Ｑが侵入すると、「側方
視」に示すように、電場の中心軸方向成分によって加速
される。そして、時刻１．．１３゜ｔ４の「側方視」に
各々示すように、荷電粒子Ｑの進行に同期して電場が変
化するので、荷電粒子Ｑは常に加速力を受けることにな
る。

他方、時刻ｔ、〜ｔ、の「進行方向視」に示すように、
４正極電場が形成されているので、荷電粒子Ｑは集束力
を受ける。

従って、この荷電粒子加速器１によれば、荷電粒子（ビ
ーム）を好適に加速・集束することが出来る。

次に、第４図に示す荷電粒子加速器１１は、本発明の他
の実施例であり、第１図に示した荷電粒子加速器１とは
、第一列の対向電極対群〔Ａ、。

Ｃ，）と第二列の対向電極対群［Ｂ、、Ｄよ］の中心軸
ｌの方向の電極配置において異なっている。

即ち、第１図に示す荷電粒子加速器１では、１／２ピッ
チずれていたが、この荷電粒加速器１１では「ずれ」が
な（、一致している。このような電極配置は、絶縁材ス
ペーサー１２によって容易に規定される。

各電極Ａ、、Ｂ工、Ｃ，，Ｄ、には、第５図に示すよう
に、高周波電圧印加手段１３により所定位相の高周波電
圧が印加される。

即ち、中心軸ｌ方向について一つ置きに並ぶ電極Ａ２　
、　Ａ４　＋　・・・、が基準電位とされ、その電極Ａ
、、Ａ、、・・・、に周方向（Ｓ方向）について隣り合
わない電極Ｂ、、Ｂ、、・・・及びＤ　Ｉ　＋　　Ｂ３
　。

・・・、が基準電位とされている。この原則から、電極
ｃ、ｌ　ｃ、　、・・・、は基準電位とされる。

そして、前記以外の電極には、中心軸ｌの方向について
は同相であり、第一列の対向電極対群〔Ａ工、Ｃ４〕と
第二列の対向電極対群（Ｂ、、Ｄ。

〕の関係では１７２周期の位相差となるように高周波電
圧が印加されている。

具体的には、例えば電極Ｂ２を基準にとると、中心軸ｌ
の方向に隣り合う電極Ｂ、、Ｂ３は基準電位とされ、周
方向（Ｓ方向）に隣り合う電極Ａ２゜Ｃ７も基準電位と
され、電極対（Ｂ２　、　　Ｂ２　）をなす相手側電極
Ｄ２は同電位とされ、異なる対向電極対群の電極Ａ、、
Ａ３やＣ，、Ｃ３とは１／２周期の位相差となっている
。

次に、第６図を参照して上記荷電粒子加速器１１の作動
を説明する。

まず、電極対（Ａ＋、Ｃ＋）の電位が正である時刻を１
．とし、それから高周波電圧の１／２周期毎の時刻を各
々Ｌ２＋　　ｔ３．ｔ４とすると、図に破線矢印で示す
ように電場が形成される。但し、説明に必要な部分のみ
破線矢印を示している。

時刻ｔｌにおいて、「側方視」に示すように正の荷電粒
子Ｑが侵入すると、電場の中心軸方向成分から加速力を
与えられる。

時刻ｔ２では電場が無くなるが、荷電粒子Ｑは慣性で進
行する。

時刻ｔ３では、再び電場が形成され、その中心軸方向成
分により荷電粒子Ｑは加速力を与えられる。

時刻１．では電場が無くなるため、慣性で進行する。

他方、時刻ｔ１〜ｔ４の「進行方向視」から理解される
ように、４正極成分の電場が形成されており、荷電粒子
Ｑは集束力を受ける。

従って、荷電粒子（ビーム）は、加速・集束されること
となる。

上記荷電粒子加速器１．１１は、第７図に示すように、
ラザフオード後方散乱／粒子励起Ｘ線分析装！２０に適
用することが出来る。ここで、２１はイオン源、２２は
偏向電極、２３はイオン用半導体検出器、２４はＸ線用
半導体検出器、２５は散乱イオン、２６は特性Ｘ線であ
る。

また、第８図に示すように、イオン注入装置３０に通用
することが出来る。ここで、３１はイオン源、３２は基
板、３３は蒸着用ヒータ、３４は蒸気である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、中心軸に向って凸面形状をなす２枚の
電極を中心軸に対称に配置して電極対となし、その電極
対を多数中心軸に沿１て互いに絶縁間隙をあけて並べ設
け第一列の対向電極対群とし、その第一列の対向電極対
群と同様の第二列の対向電極対群を電極対の対向方向が
第一列と第二列とで直交するように設け、さらに、各電
極に所定位相の高周波電圧を印加して中心軸方向成分と
四重極成分とをもつ電場を電極間に形成させる高周波電
圧印加手段を具備したことを特徴とする荷電粒子加速器
が提供され、これにより次のような効果が得られる。

（１）加速電場は供給する高周波電圧に、４重極集東電
場は、ボーア半径に依存し、独立なパラメータとして設
計できるので、電極形状は単純なものとなり、製作／組
立が簡単で安価になる。

（２）各種イオンに対する加速の同期性は、電極の軸方
向長、高周波電圧および周波数によって柔軟に対応でき
、軽イオンから重イオンまで任意のエネルギーに加速で
きる。

（３）集束力のある輸送効率の高い加速を行うことが出
来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の荷電粒子加速器の一実施例の電極構造
を示す斜視図、第２図は第１図に示す電極と高周波電圧
印加手段を示す概念図、第３図は第１図及び第２図に示
す荷電粒子加速器の作動の説明図、第４図は本発明の他
の一実施例の荷電粒子加速器の電極構造を示す斜視図、
第５図は第４図に示す電極と高周波電圧印加手段を示す
概念図、第６図は第４図及び第５図に示す荷電粒子加速
器の作動の説明図、第７図はラブフォード後方散乱／粒
子励起Ｘ線分析装置の概念図、第８図はイオン注入装置
の概念図である。 〔符号の説明〕 １．１１・・・荷電粒子加速器 ２．１２・・・絶縁材スペーサー ３．１３・・・高周波電圧印加手段 ｌ・・・中心軸 Ａ　Ｉ　＋　Ａ、　ｌ　・・・　・・・電極Ｓ・・・周
方向 Ｑ・・・荷電粒子。 出願人　　株式会社　神戸製鋼所

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、中心軸に向って凸面形状をなす２枚の電極を中心軸
   に対称に配置して電極対となし、その電極対を多数中心
   軸に沿って互いに絶縁間隙をあけて並べ設け第一列の対
   向電極対群とし、その第一列の対向電極対群と同様の第
   二列の対向電極対群を電極対の対向方向が第一列と第二
   列とで直交するように設け、さらに、各電極に所定位相
   の高周波電圧を印加して中心軸方向成分と四重極成分と
   をもつ電場を電極間に形成させる高周波電圧印加手段を
   具備したことを特徴とする荷電粒子加速器。 ２、第一列の対向電極対群の電極の配置と第二列の対向
   電極対群の電極の配置とが、中心軸方向について１／２
   ピッチずれており、高周波電圧印加手段が、中心軸方向
   に隣り合う電極間では１／２周期の位相差となり且つ中
   心軸の周方向に隣り合う電極間では１／４周期の位相差
   となるように高周波電圧を印加する特許請求の範囲第１
   項記載の荷電粒子加速器。 ３、第一列の対向電極対群の電極の配置と第二列の対向
   電極対群の電極の配置とが、中心軸方向について一致し
   ており、高周波電圧印加手段が、中心軸方向については
   １つおきで且つ中心軸の周方向については隣り合わない
   電極を基準電位とし、それら以外の電極は中心軸方向に
   ついては同相となり且つ第一列と第二列との関係では１
   ／２周期の位相差となるように高周波電圧を印加する特
   許請求の範囲第１項記載の荷電粒子加速器。