JPH0810638B2

JPH0810638B2 - 荷電粒子加速器

Info

Publication number: JPH0810638B2
Application number: JP3116174A
Authority: JP
Inventors: 憲一井上; 浩司井上; 豊川田; 清隆石橋; 行人古川; 明小林; 卓也日下; 敏司鈴木; 哲夫徳村; 充夫寺田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1990-05-22
Filing date: 1991-05-21
Publication date: 1996-01-31
Anticipated expiration: 2011-01-31
Also published as: JPH05326193A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，荷電粒子加速器に係
り，詳しくは半導体プロセス技術，医療，バイオ等にお
ける高エネルギー荷電粒子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ところのＲＦＱ
( Radio Frequency Quadrupole )型荷電粒子加速器に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年，半導体製造プロセスにおいて，Ｉ
Ｃの平面的高集積化及び多層化が進められ，当該ＩＣの
プロセス研究としてＩＣに係る原子分布の分析がラザフ
ォード後方散乱法を用いてなされている。一方，材料の
表面処理プロセスとして，前記半導体プロセスを適用
し，耐磨耗性，耐蝕性等の特殊機能を材料表面層に付与
することが注目されている。また，従来の分析精度をは
るかに越えたｐｐｂオーダーの微量分析手法として粒子
励起Ｘ線法が開発されている上記のようにプロセス若し
くは分析手法には，いずれもイオンビーム（荷電粒子）
が利用されている。そして，前記分子分布の深さ方向の
解析精度及び分析精度を，更に向上させるため，上記イ
オンビームの高エネルギー化が嘱望されている。このよ
うな背景に鑑みて，上記のような高エネルギーのイオン
ビームを得るために，高周波電場を利用した線形加速器
が適用されている。とりわけイオンの輸送効率を上げる
ために，４個のベイン電極（四重極電極）からなり，該
ベイン電極を収容する真空容器（筒状の筐体）自身が，
共振回路に係るエネルギー損失の逆数となるＱ値の高値
を持つ，共振空洞を兼ねた高周波四重極型（ Radio Fre
quency Quad-repole )の加速器（以下ＲＦＱと言う）が
開発されている。従来の上記ＲＦＱの概略構造を図１３
に，その電極構造を図１４に示す。即ち，筒状の筐体５
の内部の中心軸方向に四重極電極を構成する電極１，
２，３，４が配設されており，該四重極電極１，２，
３，４の向き合ったそれぞれの面が凹凸状に波打って形
成されている。その位置関係を断面図で示したのが図１
５(a),(b) である。即ち, 互いに向かい合った電極では
凹凸形状が同位相に形成されており（図１５(a）参
照），互いに隣合う電極では凹凸形状が逆位相に形成さ
れている（図１５(b) 参照）。そして，上記筐体５内部
に形成される空洞に図１６に示すように，ループ型カプ
ラ１１にて所定の周波数の高周波電圧を印加すると，同
図に示すようなＴＥ₂₁₀モードの共振周波数が励起され
る。この時，互いに向かい合った電極には，同電位，互
いに隣合った電極には逆電位が発生する。このため，図
では省略されているが，４つの電極１，２，３，４が向
かい合う軸付近では，基本的には四重極電場が発生す
る。尚，同図において，９は電場，１０は磁場をそれぞ
れ表す。上記のような四重極電場において，電極１，
２，３，４の軸方向に関する上記凹凸構造が及ぼす影響
について，図１７(a),(b) に基づいて説明する。尚，同
図(a) は垂直断面に相当し，同図(b) は水平断面に相当
する。

【０００３】例えば上記ＴＥ₂₁₀モードでは，電極１，
３がプラスの時，電極２，４はマイナスであり，前者が
マイナスのとき，後者はプラスとなる。このような条件
に加えて電極１，２，３，４の凹凸形状が水平，垂直方
向に関して１８０°ずれて形成されていることから，例
えば電極１，３がプラス，電極２，４がマイナスの時，
中心軸上に軸方向の電界が生じることとなる。矢印６，
７，８はその電界の方向を示す。上記電極１，２，３，
４にかかる電圧極性が逆になった時は，この電界の方向
も逆になる。そして，例えば同図における左方向から中
心軸に沿ってこの電極構造の中に入ってきたイオンが常
に左右方向への加速電界を受けるような速度及び位相を
持つと，電極１，２，３，４の凹凸形状の部分を通過す
る毎に加速され，単調にエネルギーが増加される。他
方，最初に減速を受けるような位相に入ってきたイオン
も次の加速電界の時に，後続の粒子の中に除々にバンチ
ングされていき，後は単調に加速されていく。上記のよ
うにＲＦＱでは，どのような位相で入ってくるイオンも
最終的にバンチングされ，有効に加速される。また，軸
に直交する平面に存在する強い高周波四重極電場によっ
て，垂直，水平方向には強い集束力が生じているため，
非常に高い透過率でイオンを加速させることできる。実
際には，イオンの速度増加，バンチング状況に合わせ
て，凹凸形状の周期，電極間隔を除々に変化させた電極
を設計することによって初めて１００パーセント近い輸
送効率を得ることができる。

【０００４】ところで，上記のようなＲＦＱでは，加速
管は電極１，２，３，４と共に高周波の共振空洞器を形
成していて，その共振周波数（ＴＥ²¹⁰モード）はその
幾何学的な寸法で決まってしまい，大きくその共振周波
数を変化させることは不可能である。構造上のこの事実
から発生するＲＦＱの問題点を以下に説明する。一般
に，高周波を利用した加速器では，イオンの走行と加速
電場の変化を同期させて加速を行うので，与えられたイ
オン種（ｅ／ｍ）に対して，入射イオン速度がきまると
加速周波数と電極凹凸の周期との間にはひとつの同期条
件が存在し，ある長さの加速管で得られる最終加速エネ
ルギーはイオン種にそれぞれ固有の値となる。実用的な
長さ，投入電力で限ると，通常，電極凹凸の周期は数ｍ
ｍ〜数ｃｍ程度に選ばれる。このように設定されたもの
が，上述であげた陽子（Ｈ⁺）用ＲＦＱであり，長さ約
１．５ｍ，直径０．５ｍの装置で，約１００MH_zの共振
周波数となる。さて，もし，Ｈ⁺を１MeV まで加速する
ＲＦＱを用いて，別のイオン，例えば半導体のドーパン
ト元素であるＡｓ⁺を同期加速すると，イオンのエネル
ギーはｅＶ＝１／２ｍｖ²（ｅはイオン電荷，Ｖはイオ
ン加速電圧，ｍはイオン質量，ｖはイオンスピード）で
あるから，最終エネルギーは７５MeV （質量比）となっ
てしまい，もちろんこのような高勾配加速電場を生じさ
せる電力を投入することは不可能である。では，視点を
転じてＡｓ⁺ 専用の１MeV 加速器をＲＦＱで作ること
を考えると，周波数はそのままで全長を１／７５にする
か，長さはそのままで共鳴周波数を１／７５に低くする
方法が考えられる。前者の場合には，全長とともに電極
凹凸の周期を縮小しなければならなくなり，加工の問題
はもちろん，有効な加速電場を得るこためには電極間隔
（ボーア直径）も小さくせざるを得ず，入射イオンビー
ムのアクセプタンスも小さくなり，実用的でない。ま
た，後者にしても，図１６と同じ構造でこのように低い
共振周波数を得るためには，加速管直径を７５倍にしな
ければならず，工業的に非現実的である。

【０００５】結局，原型のＲＦＱのままでは，産業利用
を目的とした重イオンの加速器として装置化することは
幾何学的に不可能である。そこで，上記した産業に利用
し得るように任意のイオン種で任意のエネルギーを得る
ためには，上記加速周波数を可変にしなければならな
い。しかしながら，筐体５自体が共振空洞を兼ねている
ＲＦＱでは，その共振周波数が筐体５の幾何学形状によ
って一意的に決定され，任意に設定変更することはでき
ない。そこで，前記したようにＲＦＱに可変コンデンサ
及びインダクタからなる共振回路を外部に付設し，筐体
内の電極に高周波電圧を供給して任意のイオン種を任意
のエネルギーに加速し得る機能を備えた加速器が提案さ
れているこのような加速器としては，例えば図１８に示
すようなものが挙げられる。この加速器は，第３６回応
用物理学関係連合講演会の講演予稿集（第２分冊，第５
５４頁，春期，平成元年）に開示されている。即ち，同
図に示す如く，四重極電極１２の外部に付設された外部
共振回路１３は，銅製である円筒形状のワンターンコイ
ル１４に真空可変コンデンサ１５を２本並列に接続する
ことにより形成さている。そして，高周波電力は，同軸
コネクタ１６を通して結合コイル１７に導入され，上記
ワンターンコイル１４と磁気的に結合する。そして，上
記真空可変コンデンサ１５の両端は，上記四重極電極１
２に接続され，イオンの加速に寄与するようになしてい
る。また，上記とは別に，実用サイズの装置で重いイオ
ン種を加速するために低い共振数を得る装置がある。例
えば，図１９(a),(b) に示す荷電粒子加速器は，加速管
をＴＭ₀₁₀モードで励振し，空洞８０の両端の端板８
１，８２から，それぞれ２本の梁８３，８４を互いに対
向する端板８１または８２に向けて突出させ，中心軸周
囲で近接させて静電容量Ｃを得，四重極電極を構成する
各加速電極８５は同図(b) に示すように前記各梁８３，
８３，８４，８４に電気的接続を保ち，中心軸に向けて
固定設置されている。このＴＭ₀₁₀モードでは磁束線８
７は中心軸を周回するように分布するため，加速管長を
長くすることによってインダクタＬを大きくすることが
できるで，共振周波数ｆを低くすることを可能としてい
る。さらに，図２０(a),(b) に示すものは，空洞を構成
する対向面から中心軸に直交する平板電極９０を交互に
突出させ，中心軸周囲で積層構成することによって比較
的大きな静電容量Ｃを得て，低い共振周波数で励振でき
るよう構成されている。この場合の共振モードはＴＥ
₁₁₀様モードで同図(b) に示すように磁束線９２は平板
電極９０と空洞壁９４に囲まれた空間を中心軸と平行に
発生し，表面電流９３は中心軸に直交する方向で，磁束
線９２を囲むように片側の平板電極９０から空洞壁９４
を経由して反対側への平板電極９０へと流れる。加速電
極９１は，平行電極９０の中心軸位置の開口部を中心軸
と平行に，それぞれ２本の対向対を２組配置して，各２
本の対向対の加速電極９１は１枚とばしに平板電極９０
に電気的接続させ，それぞれが違う平板電極９０に接続
される。この構造では，表面電流が最短距離をとるた
め，その純抵抗成分Ｒは最小となり，高いＱ値が期待で
きる。ちなみにＱ値は，Ｑ＝２πｆＬ／Ｒで表される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記図１８に示した第
１の従来例のごとく外部共振回路１３を具備した加速器
においては，上記外部共振回路１３から四重極電極１２
へ電力を供給するためのケーブルには無視できない浮遊
インダクタンス，浮遊容量が生じ，このケーブル部分で
のロスによりＱ値の低下を招いてしまう。具体的には，
共振周波数を低くするためには，共振回路のコイル半径
を大きくするか，コンデンサの容量を上げる必要がある
が，いずれにしても細長いＲＦＱ電極とは幾何形状／サ
イズがますます異なり，かなりの距離をケーブル配線し
なければならない。もし，空中配線すると，外部じょう
乱を受けやすく，不安定な装置となるし，同軸ケーブル
的な構造にすると，そこでの浮遊容量が甚だ大きくなっ
てしまう。他方，加速空洞（筐体）のインダクタンス成
分を大きくするために，内部にコイル状の付加電極を設
けたり，四重極電極の先端部を支える支柱部をコイル形
状に変形することが考えられるが，加速空洞の直径のわ
りには低い共振周波数が得られることは事実としても，
コイル部分の表面電流パスが長くなり，その抵抗増加に
よってやはりＱ値の低下を招くこととなる。また，図１
９(a),(b) に示した第２の従来例の場合，次のような問
題点がある。

【０００７】１．空洞表面に誘導される表面電流８６
は，端板８１，８２を経由して加速電極８５に流れる経
路をとるが，組立て，保守の観点から端板８１，８２と
円筒空洞との間の電気的接続を完全にすることが難し
く，この不完全性からＱ値の低下および接触不良部分で
の発熱を招きやすい。２．４本の梁８３，８３，８４，８４は，２本ずつ両端
の端板８１または８２から片持ち状態で支持されている
ため，加速管８０が長くなればなるほど，梁８３，８４
に取付けられる電極８５の相互位置を精度よく固定する
ことが困難である。３．共振モードによって誘導される表面電流８６は，加
速電極８５および梁８３，８４上を流れ，中心軸に沿っ
た方向に電圧勾配が生じるので，理想的なＲＦＱ電場が
得られない。さらに，図２０(a),(b) に示した第３の従
来例の場合には，次のような問題点がある。１．４本の加速電極９１を，空洞内の平板電極９０の開
口部に精度よく固定し，さらに各平板電極９０に完全な
電気的接続を確保することは，現実的に非常に困難であ
る。２．共振周波数を低くするために，平板電極９０の面積
を広げ静電容量を大きくとると，磁束線９２の通る領域
を減少させることになり，結局Ｑ値の低下を招く。３．平板電極９０と空洞筐体とを一体的構成した積層構
造とするとき，その制作，組立てが困難で高価な装置と
なる。本発明は，上記のごとき従来の問題点に鑑みてな
されたもので，共振回路の構造と共に，該共振回路と四
重極電極との接続構造を工夫することにより，Ｑ値の低
下を招くことなく，任意の種類の荷電粒子を任意のエネ
ルギーに加速すると共に，低い周波数での共振を可能に
する静電容量とインダクタンスを確保して高いＱ値を得
る荷電粒子加速器を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に，本発明が採用する第１の手段は，その要旨とすると
ころが，筒状の筐体内部の中心軸方向に配設された四重
極電極にコンデンサ及びインダクタを具備してなる共振
回路より所定の電位を供給し，任意の種類の荷電粒子を
上記四重極電極間を通過させて任意のエネルギーに加速
することのできる荷電粒子加速器において，上記筐体内
部の上記四重極電極に近接させて重いイオン種を加速す
るのに十分な容量を持つ複数の導電性の金属板を中心軸
に沿い且つ所定の間隔で平行に配置して，この複数の金
属板により上記コンデンサを構成すると共に，上記金属
板を支持する導電性の金属支柱を上記筐体に直結させて
該金属支柱と該筐体とで上記インダクタを構成し，上記
金属板と上記四重極電極とを電気的に直結させた点に係
る荷電粒子加速器である。また，上記目的を達成するた
めに，本発明が採用する第２の手段は，その要旨とする
ところが，筒状の筐体内部の中心軸方向に配設された四
重極電極にコンデンサ及びインダクタを具備してなる共
振回路より所定の電位を供給し，任意の種類の荷電粒子
を上記四重極電極間を通過させて任意のエネルギーに加
速することのできる荷電粒子加速器において，上記筐体
内部の上記四重極電極に近接させて複数の導電性の金属
板を中心軸に沿い且つ所定の間隔にて配置してこの複数
の金属板により上記コンデンサを構成すると共に，上記
金属板を支持する導電性の金属支柱を上記筐体に直結さ
せて該金属支柱と該筐体とで上記インダクタを構成し，
上記金属板と上記四重極電極とを電気的に直結させ，更
に上記金属板を上記筐体の中心軸方向に可変とする位置
調節機構を設けた点に係る荷電粒子加速器である。

【０００９】また，上記目的を達成するために，本発明
が採用する第３の手段は，筒状の筐体内部の中心軸方向
に配置された四重極電極にコンデンサ及びインダクタを
具備してなる共振回路より所定の電位を供給し，任意の
種類の荷電粒子を上記四重極電極間を通過させて任意の
エネルギーに加速することのできる荷電粒子加速器にお
いて，上記筐体内壁の対向する両側面から，それぞれ対
向側に向かって延長される平板電極を中心軸に平行に配
置して，該平板電極の側面を互いに所定の間隔で近接さ
せて上記コンデンサを構成すると共に該平板電極を上記
筐体に接続して該平板電極と該筐体とで上記インダクタ
を構成し，上記平板電極と上記四重極電極とを電気的に
直結させたことを特徴とする荷電粒子加速器である。ま
た，上記第３の手段による荷電粒子加速器において，上
記筐体内壁と上記平板電極とを超電導材料で覆い，上記
筐体に冷却手段を設けて超電導化を可能とする。

【００１０】

【作用】本発明に係る第１および第２の手段による荷電
粒子加速器においては，互いに対向する平行の複数の金
属板により十分な静電容量が得られるので、共振周波数
の低下を図ることができ、重いイオン種を加速でき、半
導体プロセスの高速化が可能となった。また、複数の金
属板の間隔を適宜に変更することにより，インダクタ及
びコンデンサの各容量が変化され，任意の種類の荷電粒
子を任意のエネルギーに加速することができる。尚この
場合，上記金属板を位置調節機構にて調節するようにす
ると，該金属板の間隔寸法を更に簡便に変更することが
できる。そして，上記構造においては，共振回路を構成
するインダクタ及びコンデンサが四重極電極に近接させ
て配置されている結果、該四重極電極にあたかも直結さ
れたような構造となるため，Ｑ値を高く維持することが
できる。また，本発明に係る第３の手段による荷電粒子
加速器においては，筐体内壁の対向する側面から，それ
ぞれ対向側に派生させた平板電極を中心軸に平行に互い
に近接させて配置することにより，比較的大きな静電容
量が得られると共に，平板電極を中心軸に平行に配置し
たことにより磁束線通過領域を十分に確保できるので，
該平板電極と筐体とでインダクタを構成して，低い周波
数での共振を可能にすることができる。これによって重
いイオンの加速等を行う実用的なサイズの加速器を実現
することができる。上記第３の手段における構成におい
て筐体内壁と平板電極とを，超電導材料で被覆すること
により，表面電流の純抵抗値を下げることができるの
で，Ｑ値を大きくして極めて電力効率の良い加速装置と
することができる。

【００１１】

【実施例】以下添付図面を参照して，本発明を具体化し
た実施例につき説明し，本発明の理解に供する。尚，以
下の実施例は本発明を具体化した一例であって，本発明
の技術的範囲を限定する性格のものではない。ここに，
図１，図２は本発明の第１実施例に係る荷電粒子加速器
の構造を示すものであって，図１は正面図，図２は図１
におけるＡ−Ａ´矢視断面図，図３は上記荷電粒子加速
器の電気的接続状況を示す概念図，図４は本発明の第２
実施例に係る荷電粒子加速器の構造を示す正面図，図５
は図４におけるＢ−Ｂ´矢視断面図，図６は本発明の第
３実施例に係る荷電粒子加速器の電気的接続状況を示す
概念図，図７は加速空洞内でのＴＥ₁₁₀モードの共振周
波数の励起状況を示すものであって，同図(a) は四重極
電極を備えた状態での説明図, 同図(b) は空洞のみの状
態での説明図，図８は本発明の更に他の実施例に係る荷
電粒子加速器の要部の構造を示す側面断面図である。第
１実施例に係る荷電粒子加速器１８では，図１，図２及
び図３に示す如く，正断面が例えば矩形形状の筐体１９
（加速空洞）の内部であって，その中心軸方向に電極２
１，２２，２３，２４が配設されており，この電極にて
四重極電極が構成されている。上記電極２１乃至２４の
相対向する面側は，従来のＲＦＱ同様，波型凹凸形状に
形成されている。また，上記筐体１９内の各角部には，
電気的抵抗の低減を考慮してＲＦコンタクト電極２７が
それぞれ付設されている。そして，上記各電極２１乃至
２４は，その各長手方向両端部が絶縁材からなる支柱２
５を介して上記筐体１９の内壁に固定されている。

【００１２】上記電極２１乃至２４の周囲の長手方向に
は，該電極２１乃至２４に近接して，例えば円板状の銅
ディスクからなる金属板２６_a，２６_bが交互に所定の
等間隔で平行に配置されている。従って金属板２６ａ，
２６ｂは重いイオン種を加速するに十分な静電容量を有
することになる。尚この場合，金属板２６の添字_a，_b
は説明上，便宜的に付したものであって，金属板２
６_a，２６_bは構造的には同一のものである。そし
て，上記電極２１，２２は金属板２６_a，２６_a，…に
ＲＦコンタク電極２８を介して電気的に直結され，電極
２３，２４はＲＦコンタクト電極２９を介して金属板２
６_b，２６_b，…に電気的に直結されている。更に，金
属板２６_aは，銅製の支柱３０，３０，…にて垂直方向
から支持され，上記筐体１９に電気的に直結されてい
る。また，上記金属板２６_bは銅製の支柱３１，３１，
…によって水平方向から支持されて上記筐体１９に電気
的に直結されている。この場合，上記支柱３０，３１
は，それぞれ上記筐体１９の内壁部に加工された蟻溝３
７に沿って中心軸方向へ移動可能に配備されており，支
柱３０，３０，…及び３１，３１，…の各隙間には，上
記金属板２６_a，２６_b，…の間隔を所定の等間隔寸法
にて維持し得るような幅寸法のスペーサ３２，３３，…
が嵌挿されている。そして，上記支柱３０，スペーサ３
２及び支柱３１，スペーサ３３とはそれぞれボルト３４
にて共締めされている。この場合，上記複数の金属板２
６_a，２６_b，…によりコンデンサが構成され，支柱３
０，筐体１９，支柱３１により開ループのワンターンコ
イルが構成され，同図中磁束３５で示すような例えばＴ
Ｅ₂₁₀モードの共振周波数を励起（図１８参照）させる
ことができる。そして，上記スペーサ３２，３３の幅寸
法を適宜の値に変更することによりコンデンサ及びイン
ダクタの容量が変化され，任意の種類のイオンビームを
任意のエネルギーに加速することができる。尚，上記共
振周波数は，当該装置における静電容量が大きいことか
ら空洞だけの場合に比べてはるかに低くなるが，上記の
ようにして構成された共振回路と四重極電極とがほぼ直
結された構造となって表面電流パスは殆ど変化しないこ
とから，Ｑ値が損なわれるということはない。

【００１３】また，上記構成に係る共振回路では，金属
板２６_a，２６_b間の静電容量が主として寄与している
ことから，金属板２６_a，２６_bと電極２１乃至２４と
の間にビームローディング以外ほとんど高周波電流は流
れないので，該電極２１乃至２４と金属板２６_a，２６
_bは単に接触さえしていればよい。そして，このような
結線構造においては，垂直・水平方向の２組の電極２
１，２２，２３，２４が金属板２６_a，２６_bを介して
同電位に保たれることから，この種のＲＦＱの動作を安
定にさせる例えば図７(b) に示すような電場分布のＴＥ
₁₁₀モード共振周波数が抑制される。引き続き，図４，
図５及び図６に基づいて，本発明の第２実施例に係る荷
電粒子加速器３６について説明する。尚，当該荷電粒子
加速器３６において，前記第１実施例による荷電粒子加
速器１８と共通する要素には，同一の符号を使用すると
共に，その詳細な説明は省略する。即ち，第２実施例に
係る荷電粒子加速器３６においては，同図に示す如く，
金属板２６_a，２６_bがそれぞれ垂直方向に交互に反対
方向から単一の支柱３０，３０にて片持支持された構造
となっている。そして，上記金属板２６_a，２６_bから
はその垂直方向にＲＦコンタクト電極２８を介して電極
２１，２２に電位が印加され，上記金属板２６_bからは
その水平方向にＲＦコンタクト電極２９（図６参照）を
介して電極２３，２４に電位が印加される。その結果，
図４において磁束３５が分布するようなＴＥ₁₁₀モード
（図７参照）を利用したＲＦＱを実現することができ
る。このモードの共振周波数は，通常使用されるＴＥ
₂₁₀モードのそれよりは低い値であることから，より小
型の重イオン加速を実現するのに好適である。更に第３
実施例に係る荷電粒子加速器３８について，図８に基づ
いて説明する。当該荷電粒子加速器３８において，前記
荷電粒子加速器１８，３６と共通する要素には，同一の
符号を使用すると共にその詳細な説明は省略する。第３
実施例に係る荷電粒子加速器３８における特徴点は，金
属板２６_a，２６ _bの各側面に，金属製で円筒状の複数
のフィン構造のツバ３９を設け，該金属板２６_a，２６
_bの側面を凹凸形状となしたことである。この場合，上
記各ツバ３９は隣接する金属板２６_a，２６_bの各ツバ
３９に対して相互に接触しないように配列されている。

【００１４】上記のような構造とすることにより，静電
容量を更に増加させることができ，共振周波数を低減さ
せて小型の重イオン用のＲＦＱの実現に寄与し得る。こ
れは，真空コンデンサの構造を利用したものである。
尚，上記のようなフィン構造に代えて，金属板２６_a，
２６_bの各表面に円環状の複数の溝を刻設してもよい。
更に，当該荷電粒子加速器３８においては，金属板２６
_a，２６_bを支持する支柱３０，３０がそれぞれ筐体１
９の中心軸方向へ移動調整可能に支持されている。即
ち，上記支柱３０を支持するブロック４０が蟻溝３７内
において中心軸方向へ摺動自在に嵌挿されており，同図
において左端に位置するブロック４０を除いて他のブロ
ック４０にはそれぞれ異なるピッチのメネジ４１_a，４
１_b，…が刻設されている。そして，この各メネジ４１
_a，４１_b，…と噛合するオネジ部材４３_a，４３_b，
…を備えたシャフト４５が嵌挿されている。従って，上
記シャフト４５を回転させることにより，上記金属板２
６_a，２６ _b間の距離は等間隔寸法に可変される。この
場合，上記ブロック４０，メネジ４１_a，４１_b，オネ
ジ部材４３_a，４３_b及びシャフト４５等により，上記
金属板２６_a，２６_bを上記筐体１９の中心軸方向に可
変とする位置調整機構４６が構成されている。上記構成
に係る荷電粒子加速器３８においては，金属板２６_a，
２６_bの間隔を広げることによって共振周波数を上げる
ことができ，その結果，最終加速エネルギーを任意の値
に極めて簡便に変化させることができる。以上説明した
第１〜第３実施例に係る荷電粒子加速器は上記したよう
に構成されている。そして，上記のような構成とするこ
とにより，以下のような効果を奏する。

【００１５】１．従来のＲＦＱと比較して共振周波数の
わりに小型の重イオン加速器を提供することが可能とな
る。これは，金属板２６_a，２６_b，…によって静電容
量の成分が増大されたことによる。２．例えば従来のＲＦＱに比べて加速能力が高い。換言
すれば投入電力が少なくて済む。即ち，加速空洞のＱ値
が高い。これは，加速空洞の中央部分にコンデンサを構
成した構造であることから，共振モードで生じる筐体部
分の電流パスが最短となり，その純抵抗成分が最小値と
なることによる。３．従来のＲＦＱと比較してイオンの加速エネルギーを
適宜無段階に可変することができる。これは，金属板２
６_a，２６_b，…の各間隔寸法を位置調節機構４６ある
いはスペーサ３２，３３によって適宜調節し得ることに
よる。４．従来のＲＦＱと比較して不整共振モードが生じな
い。これは，対向する四重極電極が金属板２６_a，２６
_bを介して同電位になることから，ビーム軌道を不安定
にするダイポールモードが禁制されることによる。次い
で，本発明の第４実施例及び本実施例を気体レーザ装置
に適用した第５実施例について説明する。図９は縦断面
図，図１０は図９のＣ−Ｃ´矢視断面図，図１１は図９
のＣ−Ｃ´断面から見た構成を部分的に示す斜視図，図
１２は空洞内壁を超電導化した例における横断面図であ
る。図９，図１０は共振周波数が約１３MH_z，Ｑ値を６
０００以上得られる加速装置の具体例で，直径約５０ｃ
ｍの円筒状の空洞本体６０の対向する内壁面から，それ
ぞれ２枚の平板電極６１，６２を中心軸に平行に突出さ
せて，その先端をリング状の加速電極固定具６３に固定
する。この加速電極固定具６３には，中間電極６４，６
５が固定されており，それぞれ対向する平板電極６１，
６２の間に，間隙５ｍｍを保って挟設される。この平板
電極６１，６２と中間電極６４，６５の挟設構造が，図
９に示すように中心軸方向に上下反転しながら繰返し構
成される。従って，平板電極６１，６２には開口部５０
で互いに対向側に入り組む構造で十分な静電容量を得て
いる。

【００１６】空洞本体６０の端部は導電性フランジ６
６，６６で閉じられており，空洞本体６０および平板電
極６１，６２，中間電極６４，６５の材質を銅で形成し
たとき，前記のように６０００以上のＱ値が得られ，重
イオン加速に必要な仕様が実用的寸法で得られる。本共
振器の基本モードはＴＥ₁₁₀モードで，磁束線６８は平
板電極６１，６２の両側を中心軸方向に貫き，平板電極
６１，６２は中心軸に平行に配置されるため，空洞断面
積の電極厚および間隙の他の空間は磁束線６８に与えら
れるので，最大限のインダクタンスＬが確保される。ま
た，空洞内壁を流れる表面電流６９は，中心軸に対して
対向する平板電極６１，６２の間を円筒空洞表面を経由
して流れ，平板電極６１，６２と空洞本体６０内壁の接
続部もＲＦコンタクト等の金具で完全接続できるので，
純抵抗成分は十分に低くできる。図１２は前記加速装置
を超電導化した実施例で前記構成になる加速装置の空洞
本体６０の内壁および平板電極６１，６２の外壁を高温
超電導材料５２または高温超電導材料をコーティングし
たプレートで覆って内張りし，空洞本体６０の外壁に配
した冷却パイプ５３に液体窒素を通して冷却すると共
に，共振空洞全体を円筒状真空容器５４内に断熱材であ
るスーパーインシュレータ５１で支持固定している。こ
のように超電導化した場合，表面電流４９に対する純抵
抗は一気に下り，Ｑ値が１００００以上を期待でき，極
めて電力効率のよい加速装置とすることができる。

【００１７】上記図９〜図１２に示した第４実施例に係
る荷電粒子加速器は上記のように構成することにより，
以下のような効果を奏する。１．空洞の制作・組立てが容易であり，各構成部材の位
置を確実に固定できるので，加速電極４７を精度よく配
置することができる。２．中心軸近傍において積層する平板電極４１，４２を
奇数枚にすることによって，その間に挟まれた中間電極
４４，４５の位置精度または不可抗力による変位に対し
て静電容量の変化は，１次のオーダーでは打ち消されて
小さくなるため，組立精度や振動による共振周波数の変
化が十分小さく，安定した動作が得られる。３．空洞横断面における磁束線の貫く空間を最大限広く
確保できるので，最大のインダクタンスが得られ，また
表面電流経路を最短で，接合部の電気接続も適宜な処理
で確保できるので純抵抗も低く，高いＱ値が得られる。
これは投入電力Ｐが効率よく電極電圧Ｖに変化されるこ
とを意味し，加速器としての性能が高いことを示してい
る。４．平板電極４１，４２は中心軸に平行に配置されるの
で，インダクタンスを損うことなく比較的大きな静電容
量Ｃが得られる。これは低い周波数での共振が得られ，
即ち，重いイオンの高周波加速を可能にすることを示し
ている。５．また，空洞内壁に超電導材料または超電導材料をコ
ーティングしたプレート５２を内張りすることで，容易
に超電導化を可能とし，さらに電力効率のよい荷電粒子
加速器とすることができる。

【００１８】

【発明の効果】本発明に係る荷電粒子加速器は以上説明
したように構成されているため，共振周波数と四重極電
極とを直結させた構造とすることができる。その結果，
Ｑ値の低下を招くことなく，任意の種類の荷電粒子を任
意のエネルギーに加速するとができる。また，低い周波
数での共振を可能にする静電容量とインダクタンスを構
成する共振器とＱ値の高い加速器を構成して重いイオン
の高周波加速を効率よく行うことができ，半導体プロセ
ス・物性・組成の分析等における工業用装置としてて実
用性の高い荷電粒子加速を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る荷電粒子加速器の正
面図。

【図２】図１におけるＡ−Ａ´矢視断面図。

【図３】図２における四重極電極の電気的接続状況を
示す概念図。

【図４】本発明の他実施例に係る荷電粒子加速器の正
面図。

【図５】図４におけるＢ−Ｂ´矢視断面図。

【図６】図５における四重極電極の電気的接続状況を
示す概念図。

【図７】ＴＥ₁₁₀モードの共振周波数の励起状況を示
すもので(a) は四重極電極を備えた状態の説明図，(b)
は空洞のみの状態での説明図。

【図８】本発明のさらに他実施例の要部の構造を示す
側断面図。

【図９】本発明の別実施例に係る荷電粒子加速器の側
面構成図。

【図１０】図９におけるＣ−Ｃ´矢視断面図。

【図１１】図１０におけるＣ−Ｃ´断面部から見た要
部斜視図。

【図１２】空洞内壁を超電導化した荷電粒子加速器の
断面図。

【図１３】従来のＲＦＱイオン加速器の構造で一部を
破断した状態での斜視図。

【図１４】図１５における四重極電極の電極構造を示
す模式図。

【図１５】四重極電極の位置関係をその断面で示した
模式図。

【図１６】四重極電極を備えた加速空洞内でのＴＥ
₂₁₀モードの共振周波数の励起を示す説明図。

【図１７】電極の凹凸形状の影響を説明するもので，
(a) は垂直断面図,(b)は水平断面図。

【図１８】従来の共振周波数可変イオン加速器の概略
構造を示す斜視図。

【図１９】従来の加速空洞の例を示すもので，(a) は
斜視図,(b)は断面図。

【図２０】従来の加速空洞の例を示すもので，(a) は
斜視図,(b)は断面図。

【符号の説明】

１８，３６，３８…荷電粒子加速器１９…筐体２１，２２，２３，２４…電極２６_a，２６_b…金属板３０，３１…支柱３９…ツバ４０…ブロック４１_a，４１_b…メネジ４３_a，４３_b…オネジ部材４５…シャフト４６…位置調節機構４７…四重極電極５２…超電導材料５３…冷却パイプ（冷却手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者古川行人兵庫県神戸市灘区篠原伯母野山町２−３− １ (72)発明者小林明兵庫県神戸市垂水区福田４丁目６−23 (72)発明者日下卓也兵庫県神戸市西区天王山26−７ (72)発明者鈴木敏司兵庫県神戸市灘区新在家南町２−２−５ (72)発明者徳村哲夫兵庫県神戸市垂水区桃山台６丁目16−12 (72)発明者寺田充夫大阪府藤井寺市林４丁目５−６ (56)参考文献特開平２−37700（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−502311（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】筒状の筐体内部の中心軸方向に配設され
た四重極電極にコンデンサ及びインダクタを具備してな
る共振回路より所定の電位を供給し，任意の種類の荷電
粒子を上記四重極電極間を通過させて任意のエネルギー
に加速することのできる荷電粒子加速器において，上記
筐体内部の上記四重極電極に近接させて重いイオン種を
加速するのに十分な容量を持つ複数の導電性の金属板を
中心軸に沿い且つ所定の間隔で平行に配置して，この複
数の金属板により上記コンデンサを構成すると共に，上
記金属板を支持する導電性の金属支柱を上記筐体に直結
させて該金属支柱と該筐体とで上記インダクタを構成
し，上記金属板と上記四重極電極とを電気的に直結させ
たことを特徴とする荷電粒子加速器。
【請求項２】上記金属板を支持する金属支柱を交互に
上記筐体内部における反対側の部位に直結させてＴＥ
₁₁₀モードに相当する励振状態を励起することとした請
求項１に記載の荷電粒子加速器。
【請求項３】上記金属板を支持する金属支柱を交互に
上記筐体内部において直交する２方向から該筐体内部に
それぞれ直結させてＴＥ₂₁₀モードに相当する励振状態
を励起することとした請求項１に記載の荷電粒子加速
器。
【請求項４】筒状の筐体内部の中心軸方向に配設され
た四重極電極にコンデンサ及びインダクタを具備してな
る共振回路より所定の電位を供給し，任意の種類の荷電
粒子を上記四重極電極間を通過させて任意のエネルギー
に加速することのできる荷電粒子加速器において，上記
筐体内部の上記四重極電極に近接させて複数の導電性の
金属板を中心軸に沿い且つ所定の間隔で配置して，この
複数の金属板により上記コンデンサを構成すると共に，
上記金属板を支持する導電性の金属支柱を上記筐体に直
結させて該金属支柱と該筐体とで上記インダクタを構成
し，上記金属板と上記四重極電極とを電気的に直結さ
せ，更に上記金属板を上記筐体の中心軸方向に可変とす
る位置調節機構を設けたことを特徴とする荷電粒子加速
器。
【請求項５】複数の上記金属板の各側面に金属製で円
筒状の複数のフィン構造のツバを設けて上記各側面を凹
凸形状となし，隣接する上記金属板の各ツバが相互に接
触しないように配列されてなる請求項１又は４に記載の
荷電粒子加速器。
【請求項６】筒状の筐体内部の中心軸方向に配置され
た四重極電極にコンデンサ及びインダクタを具備してな
る共振回路より所定の電位を供給し，任意の種類の荷電
粒子を前記四重極電極間を通過させて任意のエネルギー
に加速することのできる荷電粒子加速器において，上記
筐体内壁の対向する両側面から，それぞれ対向側に向か
って延長される平板電極を中心軸に平行に配置して，該
平板電極の側面を互いに所定の間隔で近接させて上記コ
ンデンサを構成すると共に，該平板電極を上記筐体に接
続して該平板電極と該筐体とで上記インダクタを構成
し，上記平板電極と上記四重極電極とを電気的に直結さ
せたことを特徴とする荷電粒子加速器。
【請求項７】上記筐体内壁の対向する両側面から互い
に対向する相手側に向かう上記平板電極を奇数枚の組合
せで近接させてなる請求項６記載の荷電粒子加速器。
【請求項８】中心軸を囲んで配置した上記四重極電極
の対角に位置する２本ずつを，上記平板電極の各対向側
に電気的に直結させた請求項６記載の荷電粒子加速器。
【請求項９】上記筐体内壁と上記平板電極表面とを超
電導材料で覆い，上記筐体に冷却手段を設けた請求項６
記載の荷電粒子加速器。