JPH0721970A - シングル・タンデム加速両用イオン加速器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】単一の加速器においてシングルおよびタンデム
加速の両方を同時に、またはそれぞれを単独に行えるよ
うにした、コンパクトで安価なイオン加速器を提供す
る。 【構成】負イオン源１からの負イオンビームは負イオン
加速用加速管５で加速され、荷電変換装置４で正イオン
ビームに荷電変換され、正イオン加速用加速管６で散乱
槽３，３′に向けて加速される。荷電変換装置と正イオ
ン加速用加速管の間に正イオン源７が配置される。正イ
オン源には、ビームライン２と同軸に配置された、荷電
変換装置からの正イオンビームを正イオン加速用加速管
に向けて通過せしめかつ正イオン源によって生成された
正イオンビームを引き出すためのイオンビーム通過管路
が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、イオン加速器の改良、
特に、シングル加速およびタンデム加速の両方が同時に
行えるイオン加速に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、シングル加速式イオン加速器
およびタンデム加速式イオン加速器が知られている。シ
ングル加速式イオン加速器は、イオン源から正イオンビ
ームを取り出し、これをビームラインを通じて試料まで
導くようにし、ビームラインの途中に加速管を配置して
正イオンビームを加速するようにしたものである。ま
た、図３に示したように、タンデム加速式イオン加速器
は、負イオン源５０から負イオンビームを取り出してこ
れをビームライン５２を通じて試料５１まで導くように
し、ビームライン５２の途中に負イオン加速用加速管５
３を配置して負イオンビームを加速し、この負イオンビ
ームを荷電変換装置５４によって正イオンビームに変換
した後、荷電変換装置５４の下流に配置した正イオン加
速用加速管５５によってさらに加速するようにしたもの
である。

【０００３】そして、シングル加速式イオン加速器で
は、相対的に低エネルギーかつ高電流のイオンビームが
得られる。また、ビーム電流は多少犠牲にしても高エネ
ルギーのイオンビームを得たい場合には、タンデム加速
式イオン加速器が使用される。しかも、シングル加速式
イオン加速器とタンデム加速式イオン加速器とでは、加
速できるイオンの種類も異なっている。こうして、使用
目的に応じて、シングル加速式イオン加速器およびタン
デム加速式イオン加速器が使い分けされる。

【０００４】しかしこの場合、両方のイオン加速器を備
えようとすると、広い設置スペースを確保しなければな
らず、また莫大な費用がかかるため、実現するのは容易
ではない。このため、両方のイオン加速器の使用が望ま
れる場合に不都合を生じている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
課題は、かかる不都合を解消すべく、単一の加速器にお
いてシングルおよびタンデム加速の両方を同時に、また
はそれぞれを単独に行えるようにした、コンパクトで安
価なイオン加速器を提供することにある。加えて、本発
明の課題は、シングルおよびタンデム加速を同時に行う
ことによって異なるエネルギーをもつ異なる種類のイオ
ンを同時に試料に打ち込み可能とし、新材料の開発のた
めの新たな手段を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明は、負イオン源から負イオンビームを引き出
し、前記負イオンビームをビームラインを通じて試料ま
で導くようにし、前記ビームラインの途中に負イオン加
速用加速管を配置して前記負イオンビームを前記試料に
向けて加速し、前記ビームラインにおける前記負イオン
加速用加速管の下流に荷電変換装置を設けて前記負イオ
ンビームを正イオンビームに荷電変換し、前記ビームラ
インにおける前記荷電変換装置の下流に正イオン加速用
加速管を配置して前記荷電変換装置からの前記正イオン
ビームを前記試料に向けて加速するようにしたタンデム
加速式イオン加速器において、前記ビームラインにおけ
る前記荷電変換装置と前記正イオン加速用加速管の間に
正イオン源を配置し、前記正イオン源には、前記ビーム
ラインに沿って、前記荷電変換装置からの前記正イオン
ビームを前記正イオン加速用加速管に向けて通過せしめ
かつ前記正イオン源によって生成された正イオンビーム
を引き出すためのイオンビーム通過路を形成したことを
特徴とするシングル・タンデム加速両用イオン加速器を
構成したものである。

【０００７】本発明の好ましい実施例によれば、前記正
イオン源は、前記ビームラインと同軸に配置されたシリ
ンダと、前記シリンダの両端に前記シリンダの開口を気
密状態に封閉すべく接合され、前記ビームラインの軸に
沿ってイオンビームを通過せしめるための開口が形成さ
れた一対の陰極と、前記シリンダの内部において前記一
対の陰極の間に配置された陽極であって、前記ビームラ
インの軸に沿ってのび、少なくとも前記陰極の開口の大
きさの断面積を有し、前記ビームラインの軸上において
前記陰極の開口と整合する貫通孔を備えたものと、前記
シリンダの外周に前記シリンダを包囲するように配置さ
れたリング状の永久磁石と、前記シリンダの内部に正イ
オン生成用ガスを導入するためのガス導入管と、実質上
円錐台形状をなし、軸方向に沿って少なくとも前記陰極
の開口の大きさの断面積を有するアパーチャが形成さ
れ、前記一対の陰極のうち前記正イオン加速用加速管側
に位置する陰極の外側において、頂面が前記陰極に対向
し、前記アパーチャが前記ビームラインの軸上において
前記陰極の開口と整合するように配置された引き出し電
極とを有しており、前記一対の陰極の開口および前記陽
極の貫通孔、並びに前記引き出し電極のアパーチャは、
前記イオンビーム通過路を形成している。

【０００８】本発明の別の好ましい実施例によれば、前
記一対の陰極のうち前記荷電変換装置側に位置する陰極
は、前記シリンダの内部空間に面する表面に、前記ビー
ムラインの軸を中心として前記シリンダの内側に突出す
る実質上円錐台形状の部分を有しており、前記実質上円
錐台形状の部分には、前記陰極の開口に連続し、軸方向
に沿ってのびるイオンビーム通過管路が形成されてい
る。本発明のさらに別の好ましい実施例によれば、前記
陽極は、コイル形状をなし、前記ビームラインと同軸に
配置されており、少なくとも前記陰極の開口と同じ大き
さの断面積を有している。

【０００９】

【作用】以上の構成において、シングル加速およびタン
デム加速の両方を同時に行う場合には、負イオン源と正
イオン源の両方が同時に点灯される。そして、負イオン
源から引き出された負イオンビームは、負イオン加速用
加速管によって加速され、荷電変換装置によって正イオ
ンビームに荷電変換された後、正イオン源のイオンビー
ム通過路を通過し、正イオン加速用加速管によって加速
されて試料に照射される。これと並行して、正イオン源
によって生成された正イオンビームがイオンビーム通過
管路から引き出された後、正イオン加速用加速管によっ
て加速され、試料に照射される。こうして、異なるエネ
ルギーをもった異なる種類のイオンビームが同時に試料
に照射される。

【００１０】シングル加速のみを単独で行う場合には、
正イオン源のみが点灯され、正イオン源のイオンビーム
通過管路から引き出された正イオンビームが正イオン加
速用加速管によって加速され、試料に照射される。ま
た、タンデム加速のみを単独で行う場合には、負イオン
源のみが点灯され、負イオン源から引き出された負イオ
ンビームが、負イオン加速用加速管によって加速され、
荷電変換装置によって正イオンビームに荷電変換された
後、正イオン源のイオンビーム通過路を通過し、正イオ
ン加速用加速管によってさらに加速されて試料に照射さ
れる。

【００１１】

【実施例】以下、添付図面を参照して本発明の好ましい
実施例について説明する。図１は、本発明によるシング
ル・タンデム加速両用イオン加速器を概略的に示した上
面図である。図１において、本発明によるイオン加速器
は、１つの負イオン源１と、それぞれ内部に試料が収
容、支持された２つの散乱槽３、３’とを有しており、
負イオン源１と各散乱槽３、３’との間にはビームライ
ン２が形成されている。ビームライン２は、振り分け電
磁石１０を介して、ミクロンオーダーに集束されたイオ
ンビームを用いて実験を行うためのマイクロビーム実験
ライン１１と、直径１ｃｍ程度のイオンビームを用いて
実験を行うための汎用ビーム実験ライン１２に分岐して
いる。そして、イオンビームが、振り分け電磁石１０に
よってマイクロビーム実験ライン１１と汎用ビーム実験
ライン１２に振り分けられるようになっている。この場
合、実験ラインの本数および各実験ラインの構成はこの
実施例に限定されるものではなく、イオンビームの利用
目的に応じて、種々の実験ラインを必要な本数だけ配置
することができる。

【００１２】こうして、負イオン源１から引き出された
負イオンビームは、ビームライン２、１１、１２を通じ
て各散乱槽３、３’まで導かれるようになっている。ビ
ームライン２における負イオン源１の出口には、負イオ
ンを選別するための分析電磁石８が配置され、分析電磁
石８の出口には前段加速管９が配置されている。さら
に、ビームライン２の途中には、負イオンビームを散乱
槽３または３’に向けて加速するための負イオン加速用
加速管５が配置されている。また、ビームライン２にお
ける負イオン加速用加速管５の下流には、負イオンビー
ムを正イオンビームに荷電変換する荷電変換装置４が配
置され、ビームライン２における荷電変換装置４の下流
には、荷電変換装置４からの正イオンビームを散乱槽
３、３’に向けて加速するための正イオン加速用加速管
６が配置されている。

【００１３】さらに、ビームライン２における荷電変換
装置４と正イオン加速用加速管６の間には、正イオン源
７が配置されている。正イオン源７には、ビームライン
２と同軸に配置された、荷電変換装置４からの正イオン
ビームを正イオン加速用加速管６に向けて通過せしめる
とともに、正イオン源７によって生成された正イオンビ
ームを引き出すためのイオンビーム通過路が形成されて
いる。なお、ここで図示はしないが、当業者にとって明
らかなように、加速管５および６、荷電変換装置４、正
イオン源７等は、イオン加速器の高電圧発生部に接続さ
れている。

【００１４】図２は、正イオン源７およびその周辺の構
造を詳細に示した拡大断面図である。図２において、正
イオン源７は、ビームラインと同軸に配置されたステン
レス製シリンダ２０と、シリンダ２０の両端にシリンダ
の開口を気密状態に封閉すべく接合された一対の純鉄製
陰極２１、２２とを有している。陰極２１、２２は、そ
れぞれ円板形状をなしており、中央にビームラインの軸
２ａに沿ってイオンビームを通過せしめるための開口２
３、２４が形成されている。この実施例では、これらの
開口２３、２４は、直径６ｍｍの円筒状をなしている。
一対の陰極のうち荷電変換装置側にある陰極２１は、シ
リンダ２０に面する表面に、ビームラインの軸２ａを中
心としてシリンダ内側に向けて突出する実質上円錐台形
状の突出部２１ａを有している。この突出部２１ａに
は、陰極の開口２３に連続し、突出部２１ａの軸方向に
沿ってのびるイオンビーム通過管路３３が形成されてい
る。この突出部２１ａによって、正イオン源の中心付近
において、（後述する）永久磁石２７からの磁場の強さ
をより大きくすることができる。

【００１５】シリンダ２０の内部空間には、一対の陰極
２１、２２の間に、コイル状の陽極２５がビームライン
と同軸に、コイルの内側空間が、ビームラインの軸２ａ
上において陰極の開口２３、２４と整合するように配置
されている。この実施例では、陽極２５は、タングステ
ン線を内径６ｍｍ、長さ１０ｍｍに巻いたコイルからな
っている。また、コイル２５は、その両端面が、それぞ
れ、対向する陰極の表面から１ｍｍの間隔をおいて配置
されている。この場合、陽極２５の形状はコイル状に限
定されるものではなく、荷電変換装置４からの正イオン
ビームをビームラインの軸２ａに沿って通過せしめ得る
貫通孔を備えたものであればどのような形状でもよく、
例えば、円筒形状の陽極を使用することができる。

【００１６】正イオン加速用加速管側にある陰極２２の
外側表面は、開口２４の周辺領域において、開口２４に
向かって円錐面状に窪んだ凹部を有している。また、正
イオン源７と正イオン加速用加速管６は、陰極２２の凹
部より大きい内径をもった実質上円筒形をなし、ビーム
ラインと同軸に配置された、絶縁体からなる短管３１を
介して互いに気密状態に接合されている。そして、短管
３１の内部空間内には、実質上円錐台形状をなす引き出
し電極２９が、その頂面を陰極２４の凹部に対向せしめ
るようにして、正イオン加速用加速管６のイオンビーム
導入開口の周縁部に取り付けられている。引き出し電極
２９は、頂面に陰極の開口２４と同じ大きさの開口が形
成され、この頂面開口がビームライン２ａの軸上におい
て陰極の開口２４と整合するように配置されるととも
に、この開口から軸方向に沿って正イオン加速用加速管
６のイオンビーム導入開口に至る実質上円錐台形状のア
パーチャが形成されている。

【００１７】こうして、陰極２１の開口２３およびイオ
ンビーム通過管路３３、およびコイル状陽極２５の内側
空間、および陰極２２の開口２４並びに取り出し電極２
９のアパーチャによって、ビームラインの軸２ａに沿っ
てイオンビーム通過路が形成されている。

【００１８】さらに、シリンダ２０の外周には、リング
状の永久磁石２７がシリンダ２０を包囲するように配置
されている。また、ガス導入管２６がシリンダ２０の側
壁に接続され、シリンダ２０の内側壁面および一対の陰
極２１、２２の内側壁面によって形成されたプラズマ生
成室２８内に正イオン生成用ガスを導入するようになっ
ている。

【００１９】荷電変換装置４は、負イオン加速用加速管
５の下流側において負イオン加速用加速管５に隣接して
配置されている。荷電変換装置４は、正イオン加速用加
速管１１からの正イオンビームを遮る位置に配置され得
る炭素薄膜３２を備えており、正イオンビームをこの炭
素薄膜中に通すことによって荷電変換するようになって
いる。荷電変換装置４のイオンビーム出口と正イオン源
７の陰極２１の開口２３は、ビームラインの軸２ａ上に
おいて整合しており、長手方向に伸縮自在な蛇腹状の接
続チューブ３０によって気密状態に接続されている。

【００２０】なお、１５はイオンビームを集束させるた
めの電磁二重四極子レンズ、１６はイオンビームを直接
電流として検出することによってイオンビームの強度を
測定するためのファラデーカップ、１７はイオンビーム
を集束するための静電二重四極子レンズ、１８はイオン
ビームの進行方向を微調節するためのステアラー、１９
はスリットである。

【００２１】以上の構成において、シングル加速および
タンデム加速の両方を同時に行う場合には、負イオン源
１と正イオン源７の両方が同時に点灯される。そして、
負イオン源１から引き出された負イオンビームは、負イ
オン加速用加速管５によって加速され、荷電変換装置４
によって正イオンビームに荷電変換された後、正イオン
源７のイオンビーム通過路を通過し、正イオン加速用加
速管６によって加速されて散乱槽３または３’内の試料
に照射される。これと並行して、正イオン源７において
は、陰極２１、２２および陽極２５の間にグロー放電が
引き起こされ、ガス導入管２６からプラズマ生成室２８
に導入されたガスがイオン化し、引き出し電極２９によ
って陰極２２の開口２４から正イオンビームが引き出さ
れ、正イオン加速用加速管６によって加速され、試料に
照射される。その結果、異なるエネルギーを有する異な
る種類のイオンビームが同時に試料に照射される。

【００２２】シングル加速のみを単独で行う場合には、
正イオン源７のみが点灯され、正イオン源７のイオンビ
ーム通過路から引き出された正イオンビームが正イオン
加速用加速管６によって加速され、散乱槽３または３’
内の試料に照射される。タンデム加速のみを単独で行う
場合には、負イオン源１のみが点灯され、負イオン源１
から引き出された負イオンビームが、負イオン加速用加
速管５によって加速され、荷電変換装置４によって正イ
オンビームに荷電変換された後、正イオン源７のイオン
ビーム通過路を通過し、正イオン加速用加速管によって
さらに加速されて試料に照射される。

【００２３】このように、本発明によれば、シングル加
速およびタンデム加速の両方を単一の加速器において行
えるようにしたので、加速器のコンパクト化、加速器の
設置スペースの削減、および加速器の大幅なコストダウ
ンが図れる。さらに、本発明によるイオン加速器では、
シングルおよびタンデム加速の両方を同時に行えるの
で、異なるエネルギーをもつ異なる種類のイオンを同時
に試料に打ち込むことが可能となり、この加速器を用い
た新材料の開発が大いに期待される。

【００２４】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、単一の
加速器においてシングルおよびタンデム加速の両方を同
時に、またはそれぞれを単独に実行可能としたので、加
速器をコンパクト化することができ、加速器の設置スペ
ースを大幅に節約し、また、イオン加速器の製造コスト
を著しく低減することができる。さらに、シングルおよ
びタンデム加速の両方を同時に行った場合には、異なる
エネルギーをもつ異なる種類のイオンを同時に試料に打
ち込むことが可能となり、本発明によるイオン加速器
は、新材料の開発等、イオンビーム応用研究のさらなる
発展に大いに寄与するものと考えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるシングル・タンデム加速両用イオ
ン加速器の構成を概略的に示した上面図である。

【図２】図１のイオン加速器における、正イオン源およ
びその周辺の構造を詳細に示した拡大断面図である。

【図３】従来のタンデム加速式イオン加速器の構成を概
略的に示した上面図である。

【符号の説明】

１ 負イオン源 ２ ビームライン ３、３’ 散乱槽 ４ 荷電変換装置 ５ 負イオン加速用加速管 ６ 正イオン加速用加速管 ７ 正イオン源 ２０ シリンダ ２１、２２ 陰極 ２３、２４ 開口 ２５ 陽極 ２６ ガス導入管 ２７ 永久磁石 ２９ 取り出し電極

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 負イオン源から負イオンビームを引き出
   し、前記負イオンビームをビームラインを通じて試料ま
   で導くようにし、前記ビームラインの途中に負イオン加
   速用加速管を配置して前記負イオンビームを前記試料に
   向けて加速し、前記ビームラインにおける前記負イオン
   加速用加速管の下流に荷電変換装置を設けて前記負イオ
   ンビームを正イオンビームに荷電変換し、前記ビームラ
   インにおける前記荷電変換装置の下流に正イオン加速用
   加速管を配置して前記荷電変換装置からの前記正イオン
   ビームを前記試料に向けて加速するようにしたタンデム
   加速式イオン加速器において、 前記ビームラインにおける前記荷電変換装置と前記正イ
   オン加速用加速管の間に正イオン源を配置し、前記正イ
   オン源には、前記ビームラインに沿って、前記荷電変換
   装置からの前記正イオンビームを前記正イオン加速用加
   速管に向けて通過せしめかつ前記正イオン源によって生
   成された正イオンビームを引き出すためのイオンビーム
   通過路を形成したことを特徴とするシングル・タンデム
   加速両用イオン加速器。
2. 【請求項２】 前記正イオン源は、 前記ビームラインと同軸に配置されたシリンダと、 前記シリンダの両端に前記シリンダの開口を気密状態に
   封閉すべく接合され、前記ビームラインの軸に沿ってイ
   オンビームを通過せしめるための開口が形成された一対
   の陰極と、 前記シリンダの内部において前記一対の陰極の間に配置
   された陽極であって、前記ビームラインの軸に沿っての
   び、少なくとも前記陰極の開口の大きさの断面積を有
   し、前記ビームラインの軸上において前記陰極の開口と
   整合する貫通孔を備えたものと、 前記シリンダの外周に前記シリンダを包囲するように配
   置されたリング状の永久磁石と、 前記シリンダの内部に正イオン生成用ガスを導入するた
   めのガス導入管と、 実質上円錐台形状をなし、軸方向に沿って少なくとも前
   記陰極の開口の大きさの断面積を有するアパーチャが形
   成され、前記一対の陰極のうち前記正イオン加速用加速
   管側に位置する陰極の外側において、頂面が前記陰極に
   対向し、前記アパーチャが前記ビームラインの軸上にお
   いて前記陰極の開口と整合するように配置された引き出
   し電極とを有しており、前記一対の陰極の開口および前
   記陽極の貫通孔、並びに前記引き出し電極のアパーチャ
   は、前記イオンビーム通過路を形成していることを特徴
   とする請求項１に記載のシングル・タンデム加速両用イ
   オン加速器。
3. 【請求項３】 前記一対の陰極のうち前記荷電変換装置
   側に位置する陰極は、前記シリンダの内部空間に面する
   表面に、前記ビームラインの軸を中心として前記シリン
   ダの内側に突出する実質上円錐台形状の部分を有してお
   り、前記実質上円錐台形状の部分には、前記陰極の開口
   に連続し、軸方向に沿ってのびるイオンビーム通過管路
   が形成されていることを特徴とする請求項２に記載のシ
   ングル・タンデム加速両用イオン加速器。
4. 【請求項４】 前記陽極は、コイル形状をなし、前記ビ
   ームラインと同軸に配置されており、少なくとも前記陰
   極の開口と同じ大きさの断面積を有していることを特徴
   とする請求項２または請求項３に記載のシングル・タン
   デム加速両用イオン加速器。