JPH05182794A

JPH05182794A - 高周波加速用共振器

Info

Publication number: JPH05182794A
Application number: JP34518691A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Terada; 充夫寺田; Tetsuo Tokumura; 哲夫徳村; Takuya Kusaka; 卓也日下; Kenichi Inoue; 憲一井上; Akira Kobayashi; 明小林; Toshimoto Suzuki; 敏司鈴木; Hirobumi Imanaka; 博文今中
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1991-12-26
Filing date: 1991-12-26
Publication date: 1993-07-23

Abstract

(57)【要約】【目的】電子やイオン等の荷電粒子を加速する高周波
加速用共振器の加速性能を良くする。【構成】中央部に、荷電粒子の進行路を構成する開口
２ｄを有する円環状のディスク部２ｃと、このディスク
部２ｃの径方向の中心を共有する円環状の外縁部２ａと
を連結部２ｅにより一体的に形成したディスクユニット
２の連結部２ｅを交互に相反する方向に向けると共に、
これらの間に外縁部２ａと同じ内・外寸法を持つスペー
サ１を介して積層することによって、高周波加速用共振
器の性能を示すＱ値を減少させる溶接箇所や接合部に起
因する抵抗が無くなり、加速電極に効率良く高周波電力
を供給することができるので、開口２ｄによって形成さ
れる進行路に通される電子やイオン等の荷電粒子を高効
率で加速することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体産業分野をはじ
め機能材料、医療、バイオ産業等の分野において、高エ
ルネギー電荷ビームを用いた物性、組成分析、表面改
質、イオン注入等に利用する高周波加速用共振器に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、ＩＣの原子分布の分析に用いら
れるラザフォード後方散乱法による従来の分析精度をは
るかに超えたｐｐｂオーダーの微量分析手法として開発
され、半導体製造プロセスに利用されている粒子励起Ｘ
線法、あるいは材料の表面層に耐磨耗性や耐蝕性等を付
与する表面処理プロセス等に対しては、電子やイオン等
の電荷ビームが利用されている。そして、それらの分析
精度や機能の向上のために、上記電荷ビームの高エネル
ギー化が嘱望されている。

【０００３】このような背景に鑑み、高エネルギーを有
する電荷ビームを得るために、現在では高周波電場を利
用した線形加速器によって荷電粒子を加速している。以
下、このような線形加速器として、４個の電極（四重極
電極という）を有する高周波四重極型荷電粒子加速器
（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＱｕａｄ−ｒｕｐ
ｏｌｅ以下、略してＲＦＱという）の一例を示す正面
図の図１０と、図１０のＥ−Ｅ線断面図の図１１とを参
照しながら説明する。

【０００４】図１０、図１１に示す符号５１は、正断面
が矩形の筐体であり、この筐体５１の内側には、中央部
に荷電粒子の進行路となる円形の開口を有する環状のデ
ィスク５２が等間隔に、かつこの筐体５１の外寸方向の
中心を通る中心軸Ｃと上記開口の径方向の中心とを合致
させて配列されている。

【０００５】より詳しくは、ディスク５２には上記筐体
５１の内面である空洞壁５３の上側壁面に取付けられた
支柱５４ａにより上方から支持されるディスク５２ａ
と、空洞壁５３の下側壁面に取付けられた支柱５４ｂに
より下方から支持されるデイスク５２ｂとがあり、これ
らディスク５２ａと５２ｂとが交互に配列されている。
上記ディスク５２ａと５２ｂとを支持するそれぞれの支
柱５４ａと５４ｂとは、ディスク５２ａと５２ｂとを等
間隔で保持し得る幅のスペーサ５５を介して、長ロッド
５６によって共締めされている。

【０００６】このように配列されたディスク５２の開口
の内側には、上下の２本で対となる垂直電極５７と、左
右の２本で対となる水平電極５８とからなる計４本の加
速電極５９が中心軸Ｃと平行に配設され、この加速電極
５９の両端部は筐体５１の空胴壁５３に支持されている
絶縁支柱６０によって支持されている。

【０００７】なお、ディスク５２の開口縁に取付けられ
て加速電極５９に接触している符号６１は、加速電極５
９に電力を供給するＲＦコンタクト電極であり、上記筐
体５１の内側４隅に配設されている符号５１ａもＲＦコ
ンタクト電極であり、またこの筐体５１の長手方向の両
端部の空間を画成する符号６４は、前記加速電極５９に
高周波電力を印加する入力カプラー６３が挿入される入
力カプラー用ポートを有する端部ポート部である。

【０００８】以下、このような構成になるＲＦＱの作用
態様を説明すると、前記複数のディスク５２によってコ
ンデンサが構成されると共に、支柱５４ｂ−空洞壁５３
−支柱５４ａとによって開ループのワンターンコイルが
構成される。そして、図８中に示す磁束６２で磁界を励
起させることができ、しかも前記スペーサ５５の幅を変
更することによってコンデンサおよびインダクタの容量
が変化させることができるので、任意の種類の荷電粒子
を加速してこれに任意のエネルギーを付与することがで
きる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記ＲＦＱを代表する
高周波加速用共振器（以下、共振器という）の性能を評
価する場合にはＱ値という値がよく用いられている。周
知のように、このＱ値は共振器の効率を表す値であっ
て、入射パワー／ロスパワーと定義され、共振器の性能
を左右する重要なファクターである。ところで、共振器
の形状、寸法、表面粗度、材質等が同じであれば、電流
経路上にある溶接箇所やボルト等の接合部分が多くなる
ほど、接触抵抗が増加するため、Ｑ値が小さくなってし
まうという傾向を持っている。即ち、電流経路上にこの
ような接合部分がある限り、高いＱ値を得ることができ
ないので、共振器を高性能にすることが難しい。

【００１０】また、真空排気用ポートや空胴内を観測す
るための覗き窓の取付け位置についても加速空胴の両端
部の端部ポート部に限られ、荷電粒子をより加速するた
めに加速空胴が長い場合には加速電極の軸方向の電場分
布がフラットにならないので、荷電粒子を効率的に加速
することができないという解決すべき課題がある。

【００１１】そこで、本発明の目的は、空洞壁、支柱お
よびディスク部分を一体的に構成して、電流経路上の接
触あるいは接合部分をなくすことによって、高いＱ値が
得られる高性能な共振器を提供するにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１に係る共振器が採用した主たる手
段の要旨は、内部に、電子やイオン等の荷電粒子に高周
波エネルギーを与えて加速する加速電極を有する荷電粒
子の進行路を備えた高周波加速用共振器において、前記
高周波加速用共振器が、内部に前記荷電粒子の進行路と
なる開口を有する小型中抜部材と、該小型中抜部材と外
寸方向の中心を通る中心線を共有しかつ該小型中抜部材
を空間を隔てて囲繞する大型中抜部材と、これら小型中
抜部材と大型中抜部材とを一体的に結合する連結部とか
らなる２重部材の前記連結部を交互に相反する方向に向
けると共に、これら２重部材の間に前記大型中抜部材と
同形のスペーサを交互に介装して積層したことを特徴と
する。

【００１３】また、本発明の請求項２に係る共振器が採
用した主たる手段の要旨は、請求項１記載の共振器にお
いて、前記積層体の両端部の間に、ポートを有する空間
部であるポート部を設けたことを特徴とする。

【００１４】

【作用】本発明の請求項１に係る共振器によれば、共振
器が、内側に前記荷電粒子の進行路となる開口を有する
小型中抜部材と、この小型中抜部材と外寸方向の中心を
通る中心線を共有しかつこの小型中抜部材を囲繞する大
型中抜部材と、これら小型中抜部材の外側と大型中抜部
材との内側においてこれらを一体的に結合する連結部と
からなる２重部材を、前記連結部を交互に相反する方向
に向けると共に、これら２重部材の間に前記大型中抜部
材と同形のスペーサを交互に介装して積層した積層体か
らなる構成としたので、加速空胴を構成する２重部材の
大型中抜部材とスペーサとの間の接触面積が広いので接
触抵抗が小さく、さらに２重部材は小型中抜部材と大型
中抜部材と連結部とが一体的に構成されていて、従来の
ようにＱ値を減少させる原因となる溶接箇所やボルト等
の接合部が存在しないため材料成分に起因する抵抗だけ
である。

【００１５】また、本発明の請求項２に係る共振器によ
れば、請求項１に係る共振器の作用に加えて、積層体の
両端部の間に、ポートを有する空間部であるポート部を
設けたので、このポート部のポートに、荷電粒子を加速
する加速電極に高周波電力を印加する入力カプラーを取
付けることができる。

【００１６】

【実施例】以下、添付した各図面を参照しながら、本発
明に係る共振器の実施例を説明する。但し、以下に説明
する実施例は本発明に係る共振器の具体例であって、本
発明の技術範囲を限定するものではない。

【００１７】図１乃至図３は、本願請求項第１項に係る
共振器の第１実施例を示したものであって、図１は共振
器を構成するディスクユニットとスペーサの構成を示す
図、図２は共振器の正断面図、図３は図２のＡ−Ａ線断
面図である。

【００１８】即ち、図１ｃに示す符号１は、溶接、ボル
ト締め等による接合部分を持たない、いわゆる一体物で
構成された、加速空胴の一部を構成する円環状のスペー
サであって、このスペーサ１には径方向の中心を中心と
する円周線上に等ピッチで８個の貫通孔１ａが穿設され
ている。

【００１９】一方、図１ａと図１ｂとに示す符号２は、
前記スペーサ１と同一の外径、内径および同径かつ同ピ
ッチの貫通孔２ｂを有する大型中抜部材である円環状の
外縁部２ａと、その内側の、中央部に開口２ｄを有する
上記外縁部２ａよりも小径の小型中抜部材であるディス
ク部２ｃと、これら外縁部２ａとディスク部２ｃとを、
溶接、ボルト締め等による接合部分を持たずに一体的に
連結する連結部２ｅとからなるディスクユニット２であ
り、このディスクユニット２はその外縁部２ａの内側と
ディスク部２ｃの外側との間に内孔空間２ｆを有してい
る。

【００２０】本実施例におけるディスクユニット２は、
上記連結部２ｅをディスク部２ｃの垂直方向上方に配す
る図１ａに示す状態と、連結部２ｅをディスク部２ｃの
垂直方向下方に配する図１ｂに示す状態との２つの何れ
かの状態で用いられる。

【００２１】詳しくは、上記スペーサ１とディスクユニ
ット２は、スペーサ１の貫通孔１ａとディスクユニット
２の貫通孔２ｂとを合致させて複数積層して本発明に係
る共振器ＲＦＱが形成されるが、いま図１ａに示すディ
スクユニット２の状態をＡ、図１ｂに示すディスクユニ
ット２のの状態をＢ、図１ｃに示すスペーサ１の状態を
Ｃとして表すと、これらディスクユニット２とスペーサ
１の積層状態は、図３に示すように、Ａ−Ｃ−Ｂ−Ｃ−
Ａ−Ｃ−Ｂ−…というようにディスクユニット２は、ス
ペーサ１を介してＡとＢの状態が交互に繰り返して積層
される。

【００２２】そして、このように積層されたディスクユ
ニット２とスペーサ１の両端部のそれぞれに、前記貫通
孔１ａ、貫通孔２ｂと合致する８個の貫通孔３ａを設け
た端部ポート部３が重ね合わされ、このポート部３の貫
通孔３ａ、ディスクユニット２の貫通孔２ｂ、スペーサ
１の貫通孔１ａとに長ロッド４を挿通して、この長ロッ
ド４の両端にナットを螺着することによって端部ポート
部３、ディスクユニット２およびスペーサ１が一体的に
積層される。

【００２３】また、スペーサ１を介して積層されたディ
スクユニット２のディスク部２ｃの開口２ｄによって形
成される荷電電子の進行路Ｒｃには、上下位置において
２本で対になる垂直電極５ｖと、左右位置において２本
で対になる水平電極５ｈとからなる計４本の加速電極５
が、前記ディスクユニット２とスペーサ１とからなる積
層体の径方向の中心を通る中心線Ｃと平行に設けられ、
これら４本の加速電極５のそれぞれの両端部は、一端側
が端部ポート部３の内側壁に支持されてなる絶縁支柱６
の他端側に支持されている。

【００２４】さらに、垂直電極５ｖにはＡの状態のディ
スクユニット２に設けたＲＦコンタクト電極７ｖが接触
し、また水平電極５ｈにはＢの状態のディスクユニット
２に設けたＲＦコンタクト電極７ｈが接触してなる構成
になっている。

【００２５】このような構成を持つ共振器ＲＦＱにおい
て、電子やイオン等の荷電粒子は、加速電極５にはさま
れた進行路Ｒｃを通るときに、従来の共振器と同様に、
加速電極５によって高周波エネルギーが与えられて加速
されるが、この場合加速空胴を構成するディスクユニッ
ト２の外縁部２ａとスペーサ１との接触面積が広いので
接触抵抗が小さくなる。

【００２６】さらに、ディスクユニット２はディスク部
２ｃと外縁部２ａと連結部２ｅとが一体的に構成されて
いて、従来のようにＱ値を減少させる原因となる溶接箇
所やボルト等の接合部が存在しないため材料成分に起因
する抵抗だけであるから、加速電極５に荷電粒子を加速
するための高周波電力が効果的に印加される。

【００２７】因みに、本発明の実施例になる共振器ＲＦ
ＱのＱ値と、従来例になる共振器のＱ値とを、後述する
各条件に基づいて試算してみると、共振器Ｑ値は、一般
にＱ＝１／（２・π・ｆ・Ｃ・Ｒ）と表され、この式中
のＲ＝Ｒ₁＋Ｒ₂と表され、またＲ₁＝（ρ・ｌ）／
（２・δ・Ｌ）で表される。但し、上式中の各英記号の
うち、ｆは共振周波数を、Ｃはキャパシタを、Ｒ₁は材
質や表面等に起因する抵抗値を、Ｒ₂は接触抵抗値を、
ρは導電率を、ｌは電流パスの長さを、δはスキンデプ
ス（表皮厚さ）を、Ｌは電流パスの幅をそれぞれ示して
いる。

【００２８】例えば、共振周波数ｆ＝１３．５６ＭＨ
ｚ，キャパシタＣ＝１．０×１０^-8Ｆ，導電率ρ＝１．
７×１０^-8Ωｍ，電流パスの長さｌ＝０．５ｍ，スキン
デプスδ＝２×１０^-5ｍ，電流パスの幅Ｌ＝１．０ｍと
した場合には、材質や表面等に起因する抵抗値Ｒ₁＝
１．９×１０^-4Ωである。ところで、接触抵抗値Ｒ₂は
ほぼＲ₁と同じ程度と考えられる。そして、これらの条
件値を上式に代入してＱ値を求めると、従来の場合がＱ
≒３０００となるのに対して、本実施例では実質的にＲ
₂が０であるからＱ≒６０００となり、明らかに接触抵
抗がない方が高いＱ値が得られるので、この発明の実施
例に係る共振器ＲＦＱの性能は従来のそれに比較して向
上することが良く理解される。

【００２９】また、本願請求項第１項に係る発明の第２
実施例を、荷電粒子加速用共振器を構成するディスクユ
ニットとスペーサの構成を示す図の図４と、共振器の側
面断面図の図５と、図５のＢ−Ｂ線断面図の図６とを参
照しながら、同一のものおよび同一機能を有するものを
同一符号を以て構成上相違する点についてだけ説明する
と、本実施例は図４乃至図６とから良く理解されるよう
に、スペーサ１を楕円形にし、ディスクユニット２の外
縁部２ａを楕円形にすると共に、連結部２ｅの幅をディ
スク部２ｃの直径と同寸にしてなるものである。

【００３０】この場合、上記実施例と同様に、ディスク
ユニット２が外縁部２ａとディスク部２ｃが連結部２ｅ
によって一体的に連結されてなる構成であるから、本実
施例は上記第１実施例と同効である。但し、本実施例で
は、上記したように、ディスクユニット２の連結部２ｅ
の幅がディスク部２ｃの直径と同寸に設定されていて振
動に強くなるため、連結部２ｅの発熱作用を抑制できる
という利点がある。なお、共振器ＲＦＱの正断面形状
は、矩形状である必要がなく、また円形状にする必要も
ないものである。

【００３１】次に、本願請求項第２項に係る発明の第３
実施例を、共振器の側面断面図の図７と、図７の一部省
略Ｃ−Ｃ線断面図の図８と、図７の一部省略Ｄ−Ｄ線断
面図の図９とを参照しながら、上記実施例と構成上相違
する点を説明する。

【００３２】図７に示す符号ＲＦＱは、第２実施例と同
様に、楕円形の断面を持つディスクユニット２とスペー
サ１とを交互に複数積層してなる共振器で、このような
構成になる共振器ＲＦＱの中央部には、図８に示すよう
に、楕円形の断面を持ち、前記加速電極５を支持する２
本の絶縁支柱６ａが内蔵されてなる中央ポート部１０が
設けられている。さらに、上記中央ポート部１０には、
図９に示すように、水平方向の一方側に高周波電力を加
速電極５に印加する入力カプラー１１を取付ける入力カ
プラー用ポート１０ａが設けられ、他方側に覗き窓用ポ
ート１０ｂが設けられ、この覗き窓用ポート１０ｂには
覗き窓１２が取付けられている。

【００３３】また、中央ポート部１０の上側と下側のそ
れぞれには真空排気用ポート１０ｃが設けられ、この真
空排気用ポート１０ｃの先端部には真空排気用ポンプ
（図示省略）が接続されている。なお、両端部の端部ポ
ート部３は、上記実施例と同様に入力カプラーが挿入さ
れる入力カプラー用ポートを備えている。

【００３４】従って、本実施例では上記各実施例と同等
の作用・効果に加えて、中央ポート部１０の入力カプラ
ー用ポート１０ａに挿入した入力カプラー１１から加速
電極５に高周波電力を印加することができるので、加速
電極５の軸方向の電場分布をフラットにすることがで
き、より効果的に荷電粒子を加速することができる。さ
らに、この実施例では、中央ポート部１０に覗き窓１２
が取付けられているので、共振器ＲＦＱの中央位置にお
ける荷電粒子の加速状況を観測することができ、チュー
ニングに威力を発揮することができる。

【００３５】さらに、荷電粒子をより加速する目的で製
作した長い共振器ＲＦＱの場合には、加速電極５を両端
で支持する従来構成では撓みがあるためこれを高精度に
支持することは困難であるが、この場合加速電極５は中
央ポート部１０においても絶縁支柱６ａによって支持さ
れているので、支持スパンが短くなり、加速電極５の支
持精度を向上させ得るという効果がある他、また長い１
本の電極を加工が容易である半分長さの電極２本で代用
することもできる。

【００３６】また、共振器ＲＦＱの両端部の間に上記中
央ポート部１０と同構成のポート部を複数個介装するこ
とにより、従来製造し得なかったような長い共振器の製
造が可能になり、より高速の荷電粒子が得られる結果、
半導体製造技術の向上や表面処理技術の向上等に対して
大いに寄与することができる。

【００３７】

【発明の効果】以上詳述したように、本願請求項第１項
に係る発明によると、各ディスクユニット２を構成して
いるディスク部、連結部、外縁部が一体的に構成されて
いるため、Ｑ値を減少させる原因となる溶接箇所やボル
ト等の接合部分が存在せず、事実上接触抵抗は０とな
り、高いＱ値を維持することができ、共振器の性能を向
上させることができる。

【００３８】また、本願請求項第２項に係る発明による
と、共振器の中央部に、入力カプラーを取付け得る中央
ポート部２０を設けているので、共振器中央部において
高周波電力を印加することにより加速電極の軸方向の電
場分布をフラットにし得るので、電子やイオン等の荷電
粒子をより効果的に加速をすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る共振器を構成するデ
ィスクユニット（図ａ，図ｂ）とスペーサ（図ｃ）の構
造を示す正面図である。

【図２】本発明の第１実施例に係る共振器の正面図であ
る。

【図３】図２のＡ−Ａ線断面図である。

【図４】本発明の第２実施例に係る共振器を構成するデ
ィスクユニット（図ａ，図ｂ）とスペーサ（図ｃ）の構
造を示す正面図である。

【図５】本発明の第２実施例に係る共振器の側面断面図
である。

【図６】図５の一部省略Ｂ−Ｂ線断面図である。

【図７】本発明の第３実施例に係る共振器の側面断面図
である。

【図８】図７の一部省略Ｃ−Ｃ線断面図である。

【図９】図７の一部省略Ｄ−Ｄ線断面図である。

【図１０】従来の高周波四重極型荷電粒子加速器（ＲＦ
Ｑ）の一例を示す正面図である。

【図１１】図１０のＥ−Ｅ線断面図である。

【符号の説明】

Ｃ…共振器の中心線、Ｒｃ…進行路、ＲＦＱ…共振器、
１…スペーサ、１ａ…貫通孔、２…ディスクユニット、
２ａ…外縁部、２ｂ…貫通孔、２ｃ…ディスク部、２ｄ
…ディスク部の開口、２ｅ…連結部、２ｆ…内孔空間、
３…端部ポート部、３ａ…貫通孔、４…長ロッド、５…
加速電極、５ｈ…水平電極、５ｖ…垂直電極、６…絶縁
支柱、６ａ…絶縁支柱、７ｈ…コンタクト電極、７ｖ…
コンタクト電極、１０…中央ポート部、１０ａ…入力カ
プラー用ポート、１０ｂ…覗き窓用ポート、１０ｃ…真
空排気用ポート、１１…入力カプラー、１２…覗き窓。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小林明兵庫県神戸市垂水区福田４−６−23 (72)発明者鈴木敏司兵庫県神戸市西区美賀多台１−４−１ (72)発明者今中博文兵庫県神戸市西区美賀多台１−４−１

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部に、電子やイオン等の荷電粒子に高
周波エネルギーを与えて加速する加速電極を有する荷電
粒子の進行路を備えた高周波加速用共振器において、前
記高周波加速用共振器が、内部に前記荷電粒子の進行路
となる開口を有する小型中抜部材と、該小型中抜部材と
外寸方向の中心を通る中心線を共有しかつ該小型中抜部
材を空間を隔てて囲繞する大型中抜部材と、これら小型
中抜部材と大型中抜部材とを一体的に結合する連結部と
からなる２重部材の前記連結部を交互に相反する方向に
向けると共に、これら２重部材の間に前記大型中抜部材
と同形のスペーサを交互に介装して積層したことを特徴
とする高周波加速用共振器。
【請求項２】前記積層体の両端部の間に、ポートを有
する空間部であるポート部を設けた請求項１記載の高周
波加速用共振器。