JPH03122589A - Apparatus for measuring particle beam - Google Patents
Apparatus for measuring particle beamInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、粒子ビーム計測装置に関するものである。[Detailed description of the invention] (Industrial application field) The present invention relates to a particle beam measurement device.
さらに詳しくは、この発明は、４次元エミツタンス測定
の自動化、高速化、高精度化を可能とする粒子ビーム計
測装置に関するものである。More specifically, the present invention relates to a particle beam measurement device that enables automatic, high-speed, and highly accurate four-dimensional emittance measurement.
（従来の技術とその課題）
イオンビーム、中性子ビーム、電子ビーム等の粒子ビー
ムのある断面、たとえばｘ−ｙＵｒ面における軌道は、
Ｘ 、 Ｘ’＝ｄＸ／ｄＺ、 Ｖ 、 ’／’＝ｄｌ／
／ｄＺ の４つの変数によって決まる４次元位相空間
での密度分布によって記述することができる。この４次
元位相空間でビーム軌道が占める体積は４次元エミツタ
ンスと呼ばれており、粒子ビームの性質を表す最も基本
的な量の一つとなっている。(Prior art and its problems) The trajectory of a particle beam such as an ion beam, neutron beam, or electron beam in a certain cross section, for example, the x-yUr plane, is
X, X'=dX/dZ, V, '/'=dl/
It can be described by a density distribution in a four-dimensional phase space determined by four variables: /dZ. The volume occupied by the beam trajectory in this four-dimensional phase space is called the four-dimensional emittance, and is one of the most fundamental quantities expressing the properties of a particle beam.
そのため、４次元エミツタンスは、イオン注入装置、電
子顕微鏡、核融合実験用中性粒子入射装置、タンデム加
速機、線形加速器、各種イオン源装置をはじめとして多
くの粒子ビーム関連機器において粒子ビーム計測手段と
して重用なものとなる。特に、近年では、各種イオン源
でイオンの生成効率を高める場合や、加速器で加速部の
電子抑制をする場合等のように粒子ビーム関３！！機器
では磁場が多く利用されるようになり、ビーム軌道に非
対象なものが現れるようになったため、４次元エミツタ
ンスを測定することが極めて重要な課題になっている。Therefore, 4-dimensional emittance is used as a particle beam measurement means in many particle beam-related devices, including ion implanters, electron microscopes, neutral particle injection devices for nuclear fusion experiments, tandem accelerators, linear accelerators, and various ion source devices. It becomes important. In particular, in recent years, particle beam functions have been used to increase ion generation efficiency in various ion sources, or to suppress electrons in the accelerator section of an accelerator. ! As magnetic fields are increasingly used in instruments, asymmetrical beam trajectories appear, making the measurement of four-dimensional emittance an extremely important issue.
従来、４次元エミツタンスの測定方法としては、粒子ビ
ーム中にピンホールを置き、そのピンホールから洩れ出
すビームの像を写真乾板等を用いて求め、得られた像の
黒化度を測定してＸｏとｙｏを求めていた。Conventionally, the method for measuring four-dimensional emittance is to place a pinhole in a particle beam, obtain an image of the beam leaking from the pinhole using a photographic plate, and measure the degree of blackening of the obtained image. I was looking for Xo and yo.
しかしながら、このような方法ではビーム像の黒化度が
ビームエネルギー束、ピンホール径、写真乾板の特性等
積々の測定条件に大きく依存するため、個々の粒子ビー
ムの測定ごとにそれらの最適条件を見出さなくてはなら
ず、多大な手間が必要とされていた。また、写真乾板を
用いてビーム像を得るには長時間を費やさなくてはなら
ず、しかも得られたビーム像から十分に高い精度で４次
元エミツタンスを求めることもできなかった。However, in this method, the degree of blackening of the beam image is highly dependent on a number of measurement conditions such as beam energy flux, pinhole diameter, and characteristics of the photographic plate, so these optimal conditions must be determined for each particle beam measurement. , which required a great deal of effort. Furthermore, it is necessary to spend a long time to obtain a beam image using a photographic plate, and furthermore, it has not been possible to determine the four-dimensional emittance with sufficiently high accuracy from the obtained beam image.
このなめ、４次元エミツタンスの測定は、粒子ビーム計
測手段としての重用性が認識されながらも今日まで実用
化されるには至っていない、４次元エミツタンスの測定
の代用として、第４図に示したＳ ＣＳ （Ｓｌｉｔ
ａｎｄ Ｃｏ１１ｅｃｔｏｒ ５ｃａｎｎｅｒ）または
第５図に示したＥ Ｓ Ｓ （Ｅｌ１３ＣｔｒｉＣ−３
ｌ＃ｅｅｐ ５ｃａｎｎｅｒ）等を使用して２次元エミ
ツタンスの測定がなされているのが実状である。This 4-dimensional emittance measurement has been recognized as a means of measuring particle beams, but has not been put into practical use to date.As a substitute for the 4-dimensional emittance measurement, the CS (Slit
and Co11ector 5canner) or E S S (El13CtriC-3
The current situation is that two-dimensional emittance is measured using a 2D emittance (l#eep 5canner) or the like.
しかしながら、これら第４図および第５図に例示した装
置を用いての２次元エミツタンスは比較的容易に測定で
きるものの、４次元エミツタンスに比べるとこの２次元
測定は粒子ビームの軌道に関して得られる情報量は極め
て少なく、ビーム軌道の微細構造を評価することはでき
ない。However, although the two-dimensional emittance can be measured relatively easily using the apparatus illustrated in FIGS. is extremely small, making it impossible to evaluate the fine structure of the beam trajectory.
このため、各′種イオン源や加速器等の粒子ビーム関連
機器の開発のためにも、４次元エミツタンスの測定を容
易に行うことのできる装置の実現が強く望まれていた。Therefore, in order to develop particle beam-related equipment such as various ion sources and accelerators, it has been strongly desired to realize an apparatus that can easily measure four-dimensional emittance.
この発明は、以上の通りの事情を踏まえてなされたもの
であり、４次元エミツタンスを容易に測定することがで
き、従来は不可能であったデータ処理の自動化、高速化
、高精度化をも可能とし、さらにはビーム中の各ビーム
種のエミッタン測定も可能とする粒子ビーム計測装置を
提供することを目的としている。This invention was made in light of the above circumstances, and enables easy measurement of four-dimensional emittance, and also enables automation, speeding up, and high precision of data processing, which was previously impossible. It is an object of the present invention to provide a particle beam measuring device that can measure the emittance of each beam type in the beam.
（課題を解決するための手段）
この発明は、上記の課題を解決するものとして、ピンホ
ール、ピンホールを通過した粒子ビームの強度分布を検
知するイメージセンサ−およびイメージセンサ−が検知
した粒子ビームの強度分布像を電気信号に変換する光な
変換装置を一体化した、粒子ビーム軸に対して直交駆動
する駆動装置を備えてなることを特徴とする粒子ビーム
計測装置を提供する。(Means for Solving the Problems) The present invention solves the above problems by providing a pinhole, an image sensor that detects the intensity distribution of the particle beam that has passed through the pinhole, and a particle beam detected by the image sensor. A particle beam measuring device is provided, characterized in that it is equipped with a driving device that is driven perpendicular to the particle beam axis and is integrated with an optical conversion device that converts the intensity distribution image of the particle beam into an electrical signal.
この発明の粒子ビーム計測装置においては、ピンホール
を通過した粒子ビームの強度分布像がピンホールの径や
写真乾板の特性等積々の測定条件の変動の影響を受ける
ことなく、容易に最適条件で得られるようにし、かつ、
上記のＸｏやｙｏの値が得られた強度分布像に基づいて
コンピュータ等により自動的に求められるようにするた
めに、粒子ビームの強度分布を検知するイメージセンサ
−とそのイメージセンサ−が検知した粒子ビームの強度
分布像を電気信号に変換する光電変換装置を使用し、こ
れにより粒子ビームの強度分布像を電気信号として得る
ようにしている。In the particle beam measurement device of the present invention, the intensity distribution image of the particle beam that has passed through the pinhole is not affected by the repeated fluctuations in measurement conditions such as the diameter of the pinhole or the characteristics of the photographic plate, and can be easily adjusted to the optimum condition. and
In order for the above Xo and yo values to be automatically determined by a computer, etc. based on the obtained intensity distribution image, an image sensor that detects the intensity distribution of the particle beam and its image sensor detect the intensity distribution. A photoelectric conversion device that converts the intensity distribution image of the particle beam into an electrical signal is used, thereby obtaining the intensity distribution image of the particle beam as an electrical signal.
また、粒子ビームの断面内で２次元的な強度分布像を求
める際に最適の測定条件が容易に維持されるようにする
ため、ピンホール、イメージセンサ−および光電変換装
置を一体化している。Furthermore, in order to easily maintain optimal measurement conditions when obtaining a two-dimensional intensity distribution image within the cross section of the particle beam, a pinhole, an image sensor, and a photoelectric conversion device are integrated.
イメージセンサ−としてはたとえばマルチチャネルプレ
ート等の２次元イメージセンサ−を使用することができ
、また、光電変換器としては、たとえばＣＯＤカメラ等
を使用することができる。As the image sensor, for example, a two-dimensional image sensor such as a multi-channel plate can be used, and as the photoelectric converter, for example, a COD camera or the like can be used.
また、この発明の装置では、ピンホールとイメージセン
サ−の間に偏向装置を設けてもよい。これにより粒子ビ
ーム中に含まれるビーム種ごとの４次元エミツタンスの
測定が可能となる。この場合の偏向装置としては、ｆ！
ｊｈ４ｆｌや磁極を適宜配したものを用いることができ
る。Further, in the device of the present invention, a deflection device may be provided between the pinhole and the image sensor. This makes it possible to measure the four-dimensional emittance of each beam type contained in the particle beam. In this case, the deflection device is f!
jh4fl or one in which magnetic poles are appropriately arranged can be used.
添付した図面の第１図は、この発明の粒子ビーム計測装
置をイオン源装置の杵子ビーム計測手段として使用する
場合の実施例を示したものである。FIG. 1 of the attached drawings shows an embodiment in which the particle beam measuring device of the present invention is used as a punch beam measuring means of an ion source device.
この実施例の装置は、ピンホール（１）、ピンホール（
１）を通過した粒子ビームの強度分布を検知する２次元
イメージサンサー（２） 、 ２次元イメージサンサー
（２）の背後で粒子ビームの強度分布像を電気信号に変
換するＣＣＤカメラ（３）、およびピンホール（１）と
２次元イメージセンサ−（２）との間にあって粒子ビー
ムをＨ＋、Ｈｏ、Ｈ−等の粒子ビームの種類に応じて偏
向する荷電粒子の偏向ｔｉ（４）を有している。これら
のピンホール（１） 、２次元イメージセンサ−（２）
、ＣＣＤカメラ（３）および偏向電極（４）は、可動部
（５）として一体化しである。この可動部（５）は、２
次元駆動装置（６）により、イオン源装置（Ａ）の加速
器（Ａｏ）から発した粒子ビーム（Ｂ）のビーム軸に直
交する断面内を２次元的に駆動できるようにしている。The device of this embodiment has a pinhole (1), a pinhole (
A two-dimensional image sensor (2) that detects the intensity distribution of the particle beam that has passed through the two-dimensional image sensor (2), a CCD camera (3) that converts the intensity distribution image of the particle beam into an electrical signal behind the two-dimensional image sensor (2), and A charged particle deflector ti (4) is located between the pinhole (1) and the two-dimensional image sensor (2) and deflects the particle beam according to the type of particle beam, such as H+, Ho, H-, etc. There is. These pinholes (1), two-dimensional image sensor (2)
, CCD camera (3) and deflection electrode (4) are integrated as a movable part (5). This movable part (5) is 2
The dimensional drive device (6) makes it possible to two-dimensionally drive the particle beam (B) emitted from the accelerator (Ao) of the ion source device (A) within a cross section perpendicular to the beam axis.
２次元イメージサンサー（２）、ＣＣＤカメラ（３）、
偏向電極（４）および２次元駆動装置（６）は、それぞ
れ２次元イメージセンサ−コントローラ（２°）、ＣＣ
Ｄカメラコントローラ（３゛）、偏向電極電源（４°）
および２次元駆動装置コントローラ（６°）に接続して
おり、さらにＣＣＤカメラコントローラ（３゛）は、Ｃ
ＣＤカメラ（３）からの強度分布像の出力信号を記憶し
コンピュータ（８）に出力するデジタルビデオメモリ（
７）に接続している。2D image sensor (2), CCD camera (3),
The deflection electrode (4) and the two-dimensional drive device (6) are a two-dimensional image sensor-controller (2°) and a CC, respectively.
D camera controller (3°), deflection electrode power supply (4°)
and the two-dimensional drive controller (6°), and the CCD camera controller (3°) is connected to the CCD camera controller (3°).
A digital video memory (digital video memory) that stores the output signal of the intensity distribution image from the CD camera (3) and outputs it to the computer (8).
7) is connected.
コンピュータ（８）は、最適条件下で所定の位置の粒子
ビームの強度分布像が検知できるように、上記の２次元
イメージセンサ−コントローラ（２°）、ＣＣＤカメラ
コントローラ（３°）、偏向電極電源（４°）、２次元
駆動装置コントローラ（６゛）を制御すると共にデジタ
ルビデオメモリ（７）からの出力に基づいて４次元エミ
ツタンスを算出し、その結果をエミツタンス出力（９）
から出力する。The computer (8) is equipped with the two-dimensional image sensor controller (2°), CCD camera controller (3°), and deflection electrode power supply so that the intensity distribution image of the particle beam at a predetermined position can be detected under optimal conditions. (4 degrees), controls the two-dimensional drive controller (6 degrees), calculates the four-dimensional emittance based on the output from the digital video memory (7), and outputs the result as emittance (9).
Output from.
たとえば以上例示したこの発明の粒子ビーム計測装置に
おいては、２次元駆動装置（６）により可動部゛（５）
を駆動し、可動部（５）内のピンホール（１）を粒子ビ
ーム（Ｂ）のビーム軸に直交する断面（ｘ−ｙ断面）内
の所定の位置（ｘｙ）にお１゛１
くと、第２図に示したように、ピンホール（１）を通過
した粒子ビームは２次元イメージセンサ−（２）上に強
度分布像を形成する。この際、第１図に示したように偏
向電極（４）等の偏向装置を設ける場合には、ピンホー
ル（１）を通過した粒子ビームはその粒子の種類ごとに
強度分布像を形成する。For example, in the particle beam measurement device of the present invention as exemplified above, the movable part (5) is moved by the two-dimensional drive device (6).
When the pinhole (1) in the movable part (5) is placed at a predetermined position (xy) in a cross section (xy cross section) perpendicular to the beam axis of the particle beam (B), As shown in FIG. 2, the particle beam passing through the pinhole (1) forms an intensity distribution image on the two-dimensional image sensor (2). At this time, if a deflection device such as a deflection electrode (4) is provided as shown in FIG. 1, the particle beam passing through the pinhole (1) forms an intensity distribution image for each type of particle.
この強度分布像は、ＣＣＤカメラ（３）等の光電変換器
によりテレビ画面の映像出力等の信号となり、デジタル
ビデオメモリ（７）に記憶される。そしてデジタルビデ
オメモリ（７）の記憶に基づいてコンピュータ（８）が
２次元イメージセンサ−（２）上の位置（Ｘ’ｌ／’）
〜（Ｘ’ Ｖ’、）の粒子１’ １ １’
１
ビ一ム強度を算出する。このＸｏ、ｙｏの強度と２次元
イメージセンサ−（２）の画素上の強度分布像とを対応
させて示したものが第２図の点線円内の概念図である。This intensity distribution image is turned into a signal for video output on a television screen by a photoelectric converter such as a CCD camera (3), and is stored in a digital video memory (7). Based on the memory in the digital video memory (7), the computer (8) determines the position (X'l/') on the two-dimensional image sensor (2).
Particles 1' 1 1' of ~(X'V',)
1 Calculate the beam strength. The conceptual diagram within the dotted circle in FIG. 2 shows the correspondence between the intensities of Xo and yo and the intensity distribution image on the pixels of the two-dimensional image sensor (2).
上記のようにして得た（Ｘ’Ｖ’）〜（×゛ｌ、１゛１
ｙ’ ）の強度は、位１ｆ（ｘ ｙ）にあるビン
ｌ １・ １
ホールを通過した粒子ビームについてのＸｏ、ｙ゛位置
の値であるが、可動部（５）を駆動してピンホール（１
）を粒子ビーム（Ｂ）の断面（ｘ−ｙ断面）内の任意の
位１ｔ（ｘ、ｙ、）に設定し、上記の操作を行うことに
より、そのピンホール位置についてのＸｏ、ｙｏの粒子
ビーム強度を求めることができる。The intensity of (X'V') ~ (x'l, 1'1 y') obtained as above is the intensity of the particle beam that passed through the bin l1-1 hole at position 1f(xy). The values of the Xo and y′ positions are the pinhole (1
) to an arbitrary position 1t(x, y,) in the cross section (x-y cross section) of the particle beam (B), and by performing the above operation, the particles Xo, yo for that pinhole position can be obtained. Beam intensity can be determined.
このようにしてこの発明の粒子ビーム計測装置によれば
、粒子ビーム内の任意の位置でのｘ、■、×°、■°の
値を求めることができ、容易に４次元エミツタンスを得
ることが可能となる。In this way, according to the particle beam measurement device of the present invention, the values of x, ■, ×°, and ■° can be determined at any position within the particle beam, and the four-dimensional emittance can be easily obtained. It becomes possible.
また、ｘ 、 ｙ 、 ｘ’、ｙｏについてのデータ処
理をコンピュータ（８）で行えるようにしたことにより
、第３図に示したように４次元エミツタンスをｘ−ｘ
’座標上あるいはｙ−ｙ ’座標上に表したり、粒子ビ
ーム中に含まれるビーム種ごとの４次元エミツタンスか
らイオンビームの中性化の割合や中性化セルのガス線密
度を評価したり、多孔型加速Ｔｈ ’［！の粒子ビーム
の測定において各電極孔からのビームの焦点位置を求め
るなど、種々のデータ処理を自動化、高速化することが
可能となる。In addition, by making it possible for the computer (8) to process data regarding x, y, x', and yo, the four-dimensional emittance can be expressed as
'coordinates or y-y' coordinates, or evaluate the neutralization rate of ion beams and the gas linear density of the neutralization cell from the four-dimensional emittance of each beam type included in the particle beam. Porous acceleration Th' [! It becomes possible to automate and speed up various data processing, such as determining the focal position of the beam from each electrode hole in particle beam measurements.
（発明の効果）
この発明の粒子ビーム計測装置によれば、４次元エミツ
タンスの測定が自動化され、容易に高精度の４次元エミ
ツタンスが得られるようになる。(Effects of the Invention) According to the particle beam measuring device of the present invention, measurement of four-dimensional emittance is automated, and highly accurate four-dimensional emittance can be easily obtained.
また、４次元エミツタンスに関する種々のデータ処理も
自動化、高速化でき、多様な粒子ビーム関連機器におい
て４次元エミツタンスを実用的に利用できるようなる。Furthermore, various data processing related to four-dimensional emittance can be automated and speeded up, making it possible to practically utilize four-dimensional emittance in a variety of particle beam-related equipment.
第１図はこの発明の実施例の構成図である。
第２図はこの発明の実施例の作用ａｍを示す概念図であ
り、第３図は４次元エミツタンスをｘ−ｘ’座標上に表
した概念面である。
第４図は２次元エミツタンスを測定する従来のＳＯ８装
置の構成国であり、第５図は２次元エミツタンスを測定
する従来のＥＳＳ装置の構成図である。
１・・・ビ ン ホ − ル
２・・・２次元イメージセンサ−
２′・・・２次元イメージセンサ−コントローラ３・・
・ＣＯＤカメラ
３′・・・ＣＯＤカメラコントローラ
４・・・偏向電極
４′・・・偏向電極電源
５・・・可 動 部
６・・・２次元駆動装置
６′・・・２次元駆動装置コントローラ７・・・デジタ
ルビデオメモリ
８・・・コンピュータ
９・・・エミツタンス出力FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a conceptual diagram showing the action am of the embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a conceptual diagram showing the four-dimensional emittance on the x-x' coordinates. FIG. 4 shows the configuration of a conventional SO8 device for measuring two-dimensional emittance, and FIG. 5 is a configuration diagram of a conventional ESS device for measuring two-dimensional emittance. 1... Bin hole 2... 2D image sensor 2'... 2D image sensor controller 3...
・COD camera 3'...COD camera controller 4...Deflection electrode 4'...Deflection electrode power supply 5...Movable part 6...Two-dimensional drive device 6'...Two-dimensional drive device controller 7...Digital video memory 8...Computer 9...Emittance output
Claims (2)
強度分布を検知するイメージセンサーおよびイメージセ
ンサーが検知した粒子ビームの強度分布像を電気信号に
変換する光電変換装置を一体化し、粒子ビーム軸に対し
て直交駆動する駆動装置を備えてなることを特徴とする
粒子ビーム計測装置。(1) A pinhole, an image sensor that detects the intensity distribution of the particle beam that has passed through the pinhole, and a photoelectric conversion device that converts the intensity distribution image of the particle beam detected by the image sensor into an electrical signal are integrated, and the particle beam axis is A particle beam measurement device characterized by comprising a drive device that drives orthogonally to the particle beam.
向装置を設け、粒子ビーム中に含まれるビーム種ごとの
４次元エミッタンスを測定する請求項（１）記載の粒子
ビーム計測装置。(2) The particle beam measurement device according to claim (1), wherein a charged particle deflection device is provided between the pinhole and the image sensor to measure the four-dimensional emittance of each beam type included in the particle beam.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25971989A JP2865327B2 (en) | 1989-10-04 | 1989-10-04 | Particle beam measurement device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25971989A JP2865327B2 (en) | 1989-10-04 | 1989-10-04 | Particle beam measurement device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03122589A true JPH03122589A (en) | 1991-05-24 |
| JP2865327B2 JP2865327B2 (en) | 1999-03-08 |
Family
ID=17337994
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25971989A Expired - Lifetime JP2865327B2 (en) | 1989-10-04 | 1989-10-04 | Particle beam measurement device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2865327B2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008027614A (en) * | 2006-07-18 | 2008-02-07 | Fujitsu Ltd | Incident angle monitor element of charged particle |
| CN103207405A (en) * | 2013-05-03 | 2013-07-17 | 中国科学院上海应用物理研究所 | Beam cluster parameter measuring system for low-energy heavy ions and frequency resonance energy selection energy measuring method |
-
1989
- 1989-10-04 JP JP25971989A patent/JP2865327B2/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008027614A (en) * | 2006-07-18 | 2008-02-07 | Fujitsu Ltd | Incident angle monitor element of charged particle |
| CN103207405A (en) * | 2013-05-03 | 2013-07-17 | 中国科学院上海应用物理研究所 | Beam cluster parameter measuring system for low-energy heavy ions and frequency resonance energy selection energy measuring method |
| CN103207405B (en) * | 2013-05-03 | 2014-12-24 | 中国科学院上海应用物理研究所 | Beam cluster parameter measuring system for low-energy heavy ions and frequency resonance energy selection energy measuring method |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2865327B2 (en) | 1999-03-08 |
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