JPH0824627A - Ion recovery method and apparatus - Google Patents
Ion recovery method and apparatusInfo
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- JPH0824627A JPH0824627A JP16545894A JP16545894A JPH0824627A JP H0824627 A JPH0824627 A JP H0824627A JP 16545894 A JP16545894 A JP 16545894A JP 16545894 A JP16545894 A JP 16545894A JP H0824627 A JPH0824627 A JP H0824627A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、ウラン濃縮時や半導体
製造時に、プラズマその他のイオン源からイオンを回収
して該イオンを利用する装置に係り、特に、イオン源か
らのイオン回収に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus for recovering ions from plasma or other ion sources and utilizing the ions during uranium enrichment or semiconductor manufacturing, and more particularly to ion recovery from ion sources.
【０００２】[0002]
【従来の技術】プラズマその他のイオン源からのイオン
回収（イオン引き出しとも呼ぶ）技術は、プラズマを用
いたイオン源や、金属蒸気をレーザで電離して生成した
イオン源等を用い、該イオン源からイオンを引き出して
利用する半導体製造分野で使われている。また、レーザ
照射により特定の質量数を有するウランのみをイオン化
し、該イオンを含む光電離プラズマから該イオンを回収
するウラン濃縮の分野でも使われている。2. Description of the Related Art Ion recovery technology (also called ion extraction) from plasma and other ion sources uses an ion source using plasma, an ion source generated by ionizing metal vapor with a laser, and the like. It is used in the semiconductor manufacturing field in which ions are extracted from and used. It is also used in the field of uranium enrichment in which only uranium having a specific mass number is ionized by laser irradiation and the ions are recovered from the photoionization plasma containing the ions.
【０００３】例えば、同位体を含む物質中から特定の質
量数の原子のみを回収したい場合に、上記特定の原子の
みをイオン化して、電気的にその原子のみを分離する方
法がある。しかし、イオン化していない他の種類の原子
と特定の原子のイオンが電荷交換反応を行い、特定の原
子が中性化して、回収効率が低下する。For example, when it is desired to recover only an atom having a specific mass number from a substance containing an isotope, there is a method of ionizing only the specific atom and electrically separating only the atom. However, other types of non-ionized atoms and ions of a specific atom undergo a charge exchange reaction, the specific atom is neutralized, and the recovery efficiency decreases.
【０００４】従来、電荷交換反応によるこのイオン損失
を低減する方法として、上記特定の原子のイオンを励起
状態とすることにより、上記電荷交換反応を非共鳴電荷
交換反応と呼ばれるものとし、電荷交換反応を起こりに
くくさせ、イオンの回収効率を向上させる方法が特開平
２−６８２１号公報に記載されている。Conventionally, as a method of reducing the ion loss due to the charge exchange reaction, the charge exchange reaction is called a non-resonant charge exchange reaction by making the ion of the specific atom into an excited state. JP-A-2-6821 describes a method of making the occurrence of ionization less likely and improving the ion recovery efficiency.
【０００５】電荷交換を図２を用いて説明する回収を目
的とする原子Ａ６のイオンは電界で回収電極８に回収す
る。しかし回収を目的とする原子Ａ６のイオンは、回収
を目的としない原子Ｂ９と衝突し、電荷が原子Ｂへ移行
してしまう。これを電荷交換、または電荷交換反応と呼
び、次式で表わされる。Ions of the atom A6 for the purpose of recovery, whose charge exchange will be described with reference to FIG. 2, are recovered by the recovery electrode 8 by an electric field. However, the ion of the atom A6 for the purpose of recovery collides with the atom B9 not for the purpose of recovery, and the charge is transferred to the atom B. This is called charge exchange or charge exchange reaction and is represented by the following equation.
【０００６】Ａ’＋Ｂ → Ａ＋Ｂ’ 「’」はイオン化されていることを示す。この電荷交換
により、原子Ａのイオンは中性化するため回収率が低下
する。これを電荷交換損失と呼ぶ。A '+ B → A + B'"'" indicates that it is ionized. Due to this charge exchange, the ion of the atom A is neutralized and the recovery rate is lowered. This is called charge exchange loss.
【０００７】電荷交換反応には、共鳴電荷交換反応と非
共鳴電荷交換反応の２つがある。共鳴電荷交換反応は、
電荷を交換する２種類の原子（Ａ，Ｂとする）の有する
電子の準位が基底準位にある場合に起こる反応である。
イオン化された特定の原子をＡ（ｇ）’、イオン化され
ていなくて回収の対象としない原子をＢ（ｇ）で表わ
す。ｇは基底準位にあることを示す。共鳴電荷交換反応
は、次式で表わされる。There are two types of charge exchange reaction, a resonance charge exchange reaction and a non-resonance charge exchange reaction. The resonance charge exchange reaction is
This is a reaction that occurs when the electron levels of two kinds of atoms (A and B) that exchange charges are in the ground level.
A specific ionized atom is represented by A (g) ′, and an atom that is not ionized and is not a target for recovery is represented by B (g). g indicates that it is in the ground level. The resonance charge exchange reaction is represented by the following equation.
【０００８】 Ａ（ｇ）’＋Ｂ（ｇ）→Ａ（ｇ）＋Ｂ（ｇ）’ 非共鳴電荷交換反応は、ｉという励起準位にある特定の
原子のイオンをＡ（ｉ）で表わすことにすると、次式で
表わされる。A (g) ′ + B (g) → A (g) + B (g) ′ In the non-resonant charge exchange reaction, an ion of a specific atom at an excitation level of i is represented by A (i). Then, it is expressed by the following equation.
【０００９】 Ａ（ｉ）’＋Ｂ（ｇ）→Ａ（ｊ）＋Ｂ（ｋ）’＋ΔＥ この式は、Ａ原子が、ｉ準位からｊ準位になり、Ｂ原子
が、基底準位からｋ準位になるとともに、エネルギーΔ
Ｅを放出することを表わしている。非共鳴電荷交換反応
はイオン（Ａ（ｉ）’）と原子（Ａ（ｊ））の励起エネ
ルギーに違いがあるときにおこる。励起イオンＡ
（ｉ）’と基底原子Ｂの電荷交換の場合、励起イオンＡ
（ｉ）’の電荷は原子Ｂに移行するが、イオンの励起準
位（ｉ）と原子の励起準位（ｊ）が異なる時、上式のよ
うに左辺と右辺の励起エネルギーの差ΔＥは、電荷交換
にともない放出する。この反応は、Ａ原子を特定の準位
ｉに励起することにより可能となる。A (i) ′ + B (g) → A (j) + B (k) ′ + ΔE In this formula, A atom is changed from i level to j level, and B atom is changed from ground level to k level. Energy level Δ
This means that E is released. The non-resonant charge exchange reaction occurs when there is a difference in excitation energy between the ion (A (i) ') and the atom (A (j)). Excited ion A
In the case of charge exchange between (i) 'and the ground atom B, the excited ion A
The charge of (i) ′ transfers to the atom B, but when the ion excitation level (i) and the atom excitation level (j) are different, the difference ΔE in the excitation energy between the left side and the right side is , Emitted with charge exchange. This reaction becomes possible by exciting the A atom to a specific level i.
【００１０】上記の共鳴電荷交換反応はエネルギーの放
出がないため、反応が起こる確率（電荷交換断面積と呼
ばれる）が大きい。一方、非共鳴電荷交換反応は、エネ
ルギーの放出があるため、反応が起こる確率が小さい。
電荷交換損失を低減するには、電荷交換断面積を小さく
することが必要であるが、電荷交換反応を非共鳴過程に
することで、電荷交換断面積を小さくすることができ
る。その結果、イオン化した特定の原子が中性化するこ
とを防ぐことができる。Since the resonance charge exchange reaction described above does not release energy, the probability that the reaction will occur (called the charge exchange cross section) is high. On the other hand, in the non-resonant charge exchange reaction, since the energy is released, the probability that the reaction will occur is small.
In order to reduce the charge exchange loss, it is necessary to reduce the charge exchange cross-sectional area, but the charge exchange cross-sectional area can be reduced by making the charge exchange reaction a non-resonant process. As a result, neutralization of the ionized specific atom can be prevented.
【００１１】[0011]
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
では、電荷交換断面積が、Ａ原子とＢ原子が衝突する際
の衝突エネルギーにどのように依存するかということに
対する認識が明確になっていなかった。すなわち、衝突
エネルギーが小さいほど、電荷交換断面積が小さくなる
と考えていた。従って、上記衝突エネルギーを小さくす
るほどイオン回収には良いという考えで制御を行ってい
た。そのため、衝突エネルギーを小さくした場合に電荷
交換断面積が大きくなり、電荷交換反応によるイオンの
損失（電荷交換損失）が大きくなる可能性がある。However, in the above-mentioned prior art, it has been clarified how the charge exchange cross section depends on the collision energy when the A atom and the B atom collide. There wasn't. That is, it was thought that the smaller the collision energy, the smaller the charge exchange cross section. Therefore, the control is performed with the idea that the smaller the collision energy, the better the ion recovery. Therefore, when the collision energy is reduced, the charge exchange cross-sectional area is increased, and the ion loss (charge exchange loss) due to the charge exchange reaction may be increased.
【００１２】なお、電界中で衝突が起こるため、イオン
の方が中性原子よりも速度が大きく、上記衝突エネルギ
ーは、主としてイオンの運動エネルギー（以下では、イ
オンのエネルギー、またはイオンエネルギーと呼ぶ）で
決まる。Since collisions occur in an electric field, ions have a higher velocity than neutral atoms, and the collision energy is mainly kinetic energy of ions (hereinafter referred to as ion energy or ion energy). Depends on.
【００１３】本発明の目的は、イオンの回収または引き
出しにおいてイオンのエネルギーを制御して、特定の原
子の回収率を制御するイオン回収方法及び装置を提供す
ることにある。An object of the present invention is to provide an ion recovery method and device for controlling the energy of ions in the recovery or extraction of ions to control the recovery rate of specific atoms.
【００１４】[0014]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、質量数および原子番号のうち少なくとも１つが異な
る複数種類の原子を含む物質から、回収の対象である対
象原子をイオン化して回収する際に、イオン化された上
記対象原子を励起状態とするイオン回収装置において、
イオン化された上記対象原子の運動エネルギーを制御す
ることにより、回収された物質中の上記対象原子の存在
割合を制御する制御手段を有することとしたものであ
る。In order to achieve the above object, a target atom to be recovered is ionized and recovered from a substance containing a plurality of types of atoms having different at least one of mass number and atomic number. At that time, in the ion recovery device that makes the ionized target atom into an excited state,
By controlling the kinetic energy of the ionized target atoms, the control means controls the abundance ratio of the target atoms in the recovered substance.
【００１５】上記制御手段は、例えば、回収した物質中
の上記対象原子の存在割合を検出する検出手段を有し、
検出された上記対象原子の存在割合が予め定められた存
在割合になるように上記運動エネルギーを制御すること
としたものである。The control means has, for example, a detection means for detecting the existence ratio of the target atom in the recovered substance,
The kinetic energy is controlled so that the detected existence ratio of the target atom becomes a predetermined existence ratio.
【００１６】または、上記制御手段は、イオン化された
上記対象原子の運動エネルギーを検出する検出手段を有
し、検出された上記運動エネルギーが予め定められた値
になるように上記運動エネルギーを制御することとした
ものである。Alternatively, the control means has detection means for detecting the kinetic energy of the ionized target atom, and controls the kinetic energy so that the detected kinetic energy has a predetermined value. It was decided.
【００１７】[0017]
【作用】本発明は、イオン化された原子のエネルギーを
小さくしていったときに、電荷交換断面積が最小となる
エネルギーがあるという、測定により新たに確認された
事実を利用している。すなわち、本発明では、イオン化
された原子とイオン化されていない原子との間の電荷交
換を起こりにくくするために、非共鳴電荷交換反応を起
こさせるとともに、イオン化された原子のエネルギーを
制御する。具体的には、非共鳴電荷交換反応を起こさせ
るためにイオン化された原子を励起状態にし、電荷交換
断面積を小さくするとともに、該励起状態にあるイオン
化された原子の運動エネルギーを制御することにより、
電荷交換断面積もしくは回収したい原子の存在割合を希
望する値になるように制御する。The present invention utilizes the fact newly confirmed by the measurement that there is an energy that minimizes the charge exchange cross section when the energy of ionized atoms is reduced. That is, in the present invention, in order to make charge exchange between the ionized atom and the non-ionized atom less likely to occur, a non-resonant charge exchange reaction is caused and the energy of the ionized atom is controlled. Specifically, an ionized atom is excited to cause a non-resonant charge exchange reaction, the charge exchange cross section is reduced, and the kinetic energy of the ionized atom in the excited state is controlled. ,
The charge exchange cross section or the abundance ratio of atoms to be recovered is controlled to a desired value.
【００１８】例えば、存在割合を最大にしたい場合は、
存在割合が最大となるようにイオンエネルギーを制御す
ることで、電荷交換による損失を減らし、高効率にイオ
ンを回収する。イオンエネルギーの制御は、例えば、イ
オンを回収する機能と、イオンに電圧を印加する機能と
を有する回収電極への印加電圧の大きさや印加電圧の周
波数を変えることで行う。For example, when it is desired to maximize the existence ratio,
By controlling the ion energy so that the abundance ratio is maximized, the loss due to charge exchange is reduced and the ions are collected with high efficiency. The ion energy is controlled by changing the magnitude of the voltage applied to the recovery electrode having the function of recovering ions and the function of applying a voltage to the ions, or the frequency of the applied voltage, for example.
【００１９】存在割合が最大となるようにイオンエネル
ギーを制御する際に、回収したい原子の存在割合を検出
する検出手段としては、イオン回収電極の背面に設置さ
れる質量分析器等がある。該質量分析器は、回収電極に
設けられた小さい穴を通過してくる物質の質量分析を行
う。こうして、電極に回収されるイオンの同位体比また
は、原子の存在比を測定する。測定結果に基づいて、上
記制御手段は、回収を目的とする同位体または、原子の
存在比が最大となるように、イオン回収電圧または周波
数を調整して、イオンエネルギーを制御する。これによ
り存在割合が最大となるようにイオンエネルギーを制御
することが可能となる。When controlling the ion energy so that the abundance ratio is maximized, as a detecting means for detecting the abundance ratio of atoms to be recovered, there is a mass spectrometer or the like installed on the back surface of the ion recovery electrode. The mass spectrometer performs mass analysis of a substance passing through a small hole provided in the recovery electrode. In this way, the isotope ratio of ions or the abundance ratio of atoms collected in the electrode is measured. Based on the measurement result, the control means controls the ion energy by adjusting the ion recovery voltage or frequency so that the abundance ratio of the isotope or atom for the purpose of recovery is maximized. This makes it possible to control the ion energy so that the existence ratio becomes maximum.
【００２０】また、回収を目的とするイオンに測定用レ
ーザを照射し、レーザドップラー法によりイオンの速度
（イオンエネルギーと１対１に対応する）を測定して、
あらかじめ求めておいた存在割合が最大となるイオンエ
ネルギーと比較し、両者が同じになるようにイオン回収
電圧を制御する。これにより存在割合が最大となるよう
にイオンエネルギーを制御することが可能となる。Further, the ion for recovery is irradiated with a measuring laser, and the velocity of the ion (corresponding to one to one with the ion energy) is measured by the laser Doppler method,
The ion recovery voltage is controlled so that the abundance ratios obtained in advance are the maximum and the two are the same. This makes it possible to control the ion energy so that the existence ratio becomes maximum.
【００２１】[0021]
【実施例】以下、本発明の実施例を図により詳細に説明
する。Embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the drawings.
【００２２】図１に示す本実施例に係るイオン回収装置
は、真空容器１と、るつぼ２と、蒸発試料３と、電子銃
４と、レーザ７と、回収電極８と、廃品回収板１０と、
イオンエネルギー制御装置１３と、イオン回収電源１７
とを有する。The ion recovery apparatus according to this embodiment shown in FIG. 1 includes a vacuum container 1, a crucible 2, an evaporated sample 3, an electron gun 4, a laser 7, a recovery electrode 8, and a waste product recovery plate 10. ,
Ion energy control device 13 and ion recovery power supply 17
Have and.
【００２３】真空容器１は10~8Torr以下の高真空に保持
されている。るつぼ２の中の蒸発試料３を電子銃４で加
熱し、蒸発させる。電子が図のように、るつぼ２に入射
するのは、図示するように、磁場Ｈが真空容器１内に印
加されているからである。原子Ａ６のみを選択的に電離
するとともに所定の励起準位に励起するエネルギーを有
するレーザ光をレーザ７により、蒸発した蒸発物質５に
照射する。こうして、回収を目的とする原子Ａ６を選択
的に励起状態のイオンにする。イオンエネルギー制御装
置１３でイオン回収電源１７を制御して、回収電極８に
電荷交換断面積が最小となる電圧（以下では電界とも呼
ぶ）または周波数を印加する。回収電極８ａは、負に印
加し、回収電極８ｂは正に印加する。該電圧は、イオン
を回収するための回収電圧でもあり、この電圧により、
回収電極８に回収する。回収を目的としない原子９は、
廃品回収板１０に回収される。The vacuum container 1 is maintained at a high vacuum of 10 to 8 Torr or less. The evaporation sample 3 in the crucible 2 is heated by the electron gun 4 and evaporated. The electrons enter the crucible 2 as shown in the figure because the magnetic field H is applied to the vacuum chamber 1 as shown in the figure. A laser beam having an energy that selectively ionizes only the atom A6 and that is excited to a predetermined excitation level is irradiated by the laser 7 to the evaporated evaporation material 5. In this way, the atom A6 for the purpose of recovery is selectively turned into an excited state ion. The ion energy control device 13 controls the ion recovery power source 17 to apply a voltage (hereinafter also referred to as an electric field) or frequency that minimizes the charge exchange cross-sectional area to the recovery electrode 8. The recovery electrode 8a is negatively applied, and the recovery electrode 8b is positively applied. The voltage is also a recovery voltage for recovering ions, and by this voltage,
It collects in the collection electrode 8. Atom 9 that is not intended for recovery
It is collected by the waste product collecting plate 10.
【００２４】非共鳴電荷交換反応では、ΔＥが０でない
ために、共鳴電荷交換に比べ電荷交換が生じにくく、電
荷交換断面積が減少する。よってイオン化の時、回収を
目的とする原子Ａのイオンを励起状態とすることで、他
原子との電荷交換を防止し、目的とする原子を効率よく
回収できる。In the non-resonant charge exchange reaction, since ΔE is not 0, charge exchange is less likely to occur as compared with resonance charge exchange, and the charge exchange cross-sectional area is reduced. Therefore, at the time of ionization, by exchanging the ion of the atom A to be recovered in an excited state, charge exchange with other atoms can be prevented and the target atom can be efficiently recovered.
【００２５】次に、共鳴電荷交換と非共鳴電荷交換での
電荷交換断面積のイオンのエネルギーに対する依存性を
計算で予想した場合と実際に測定した場合とを比較し、
実際は予想したような依存性を示さなかったことを示
し、本発明の有効性を説明する。Next, the dependence of the charge exchange cross section in resonance charge exchange and non-resonance charge exchange on the energy of the ion is compared with the case where it is predicted by calculation and the case where it is actually measured.
The effectiveness of the present invention is explained by showing that it did not actually show the expected dependency.
【００２６】まず、共鳴電荷交換と非共鳴電荷交換での
電荷交換断面積のイオンのエネルギーに対する依存性の
違いの予想図を図３に示す。図３はガドリニュウムでの
予想である。実線が基底イオン、すなわち共鳴電荷交換
の場合、点線が励起イオン、すなわち非共鳴電荷交換の
場合である。縦軸は、基底イオンが１０ＫｅＶのときの
電荷交換断面積を１とした相対値で表してある。図３に
よれば、以下のことがわかる。（１）励起イオンは基底
イオンに比べて電荷交換断面積が小さいので、電荷交換
断面積を小さくするには、励起イオンを用いる方が良
い。（２）電荷交換断面積を小さくするには、イオンの
励起準位と原子の励起準位の励起エネルギーの差ΔＥを
大きくすることが有効である。（３）励起イオンの場
合、衝突エネルギーが小さいほど、電荷交換断面積が小
さい。First, FIG. 3 shows a prediction diagram of the difference in the dependence of the charge exchange cross-sections on the energy of an ion in resonance charge exchange and non-resonance charge exchange. Figure 3 is a prediction for Gadolinium. The solid line is for ground ions, ie, resonant charge exchange, and the dotted line is for excited ions, ie, non-resonant charge exchange. The vertical axis represents the relative value with the charge exchange cross-sectional area of 1 when the ground ion is 10 KeV. According to FIG. 3, the following can be seen. (1) Since excited ions have a smaller charge exchange cross section than ground ions, it is better to use excited ions to reduce the charge exchange cross section. (2) In order to reduce the charge exchange cross section, it is effective to increase the difference ΔE in the excitation energy between the ion excitation level and the atom excitation level. (3) In the case of excited ions, the smaller the collision energy, the smaller the charge exchange cross section.
【００２７】つぎに、ガドリニュウムの電荷交換断面積
の測定結果を図４に示す。基底原子の生成には49845cm~
1自動電離準位を用いた。自動電離準位とは、中性原子
が電子を放出して電離しやすい準位をいう。また、励起
原子の生成にはイオンの第１励起準位よりエネルギーが
高い53616cm~1自動電離準位を用いて、励起されたイオ
ンが生成されるようにした。Next, the measurement results of the charge exchange cross section of gadolinium are shown in FIG. 49845 cm ~ for generation of ground atoms
1 Automatic ionization level was used. The automatic ionization level refers to a level at which a neutral atom emits an electron and is easily ionized. Further, the generation of excited atoms and the like using a first excitation level than high energy 53616Cm ~ 1 automatic ionization level of ions, excited ions are generated.
【００２８】電荷交換断面積の測定結果より、励起イオ
ンを用いた方が電荷交換断面積が小さくなることがわか
り、上記（１）が確認された。ただし励起イオンを用い
た方は、衝突エネルギーが100eV以下で再び電荷交換断
面積が大きくなることがわかり、上記（３）とは異なる
結果が得られた。よってイオンのエネルギーには最適値
があり、エネルギーが低すぎると、電荷交換断面積が大
きくなり、電荷交換損失が大きくなる。From the measurement result of the charge exchange cross section, it was found that the charge exchange cross section was smaller when the excited ions were used, and the above (1) was confirmed. However, in the case of using excited ions, it was found that the charge exchange cross section increased again when the collision energy was 100 eV or less, and the result different from the above (3) was obtained. Therefore, there is an optimum value for the energy of the ions, and if the energy is too low, the charge exchange cross section becomes large and the charge exchange loss becomes large.
【００２９】なお、図４によると、イオンエネルギーが
高い領域で電荷交換断面積が減少する傾向があることが
わかるが、イオンエネルギーがあまり高すぎる（＞１ke
V）と放電が生じ、電界が形成されないため、イオンの
エネルギーは１keV以下に制限される。It can be seen from FIG. 4 that the charge exchange cross section tends to decrease in a region where the ion energy is high, but the ion energy is too high (> 1 ke).
V) and a discharge occurs, and an electric field is not formed, so the energy of ions is limited to 1 keV or less.
【００３０】以上より、電荷交換断面積が極小となる衝
突エネルギーが存在することがわかった。このような現
象は他原子でもおこる。よって、イオン回収時のイオン
エネルギーを電荷交換断面積が極小となる衝突エネルギ
ーに制御することが必要であり、衝突エネルギーを制御
することで電荷交換損失を最小にすることができる。From the above, it was found that there is collision energy that minimizes the charge exchange cross section. Such a phenomenon also occurs in other atoms. Therefore, it is necessary to control the ion energy at the time of ion recovery to a collision energy that minimizes the charge exchange cross-sectional area, and controlling the collision energy can minimize the charge exchange loss.
【００３１】例えば、ガドリニュウムのイオン回収で
は、53616cm~1自動電離準位を用いて自動電離させて、
イオン回収エネルギーを50〜200eVに制御することで電
荷交換損失を最小にすることができる。For example, in the ion recovery of gadolinium, automatic ionization is performed using the 53616 cm to 1 automatic ionization level,
The charge exchange loss can be minimized by controlling the ion recovery energy at 50 to 200 eV.
【００３２】次に、本発明の別の実施例を図６を用いて
説明する。本実施例は、イオン回収電極１５の間のプラ
ズマ１６より目的のイオン６を、電荷交換損失が最小の
状態になるようにして、引き出すものである。電極１５
の片側にイオン回収電源１７よりイオン回収電圧を印加
し、イオン６を電極方向に加速する。イオン回収電極１
５に穴２２を開け、その背面に質量分析器１８を設置
し、電極１５に回収されるイオンの同位体比または、原
子の存在比を測定する。２３は、質量分析器１８の検知
部であり、４重極分析器と呼ばれるものである。回収を
目的とする同位体、または原子の存在比が最大となるよ
うに、イオンエネルギー制御装置１３は、イオン回収電
源１８を制御して、電極１５に印加する電圧または周波
数を調整する。これにより、電荷交換損失が最小になる
ように、イオンのエネルギーを制御することが可能であ
り、電荷交換損失を最小にすることができる。そして、
回収を目的とする同位体または、原子の回収率を最大に
することができる。Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the present embodiment, the target ions 6 are extracted from the plasma 16 between the ion recovery electrodes 15 so that the charge exchange loss is minimized. Electrode 15
An ion recovery voltage is applied from one side of the ion recovery power source 17 to the one side of the ion to accelerate the ions 6 in the electrode direction. Ion recovery electrode 1
A hole 22 is bored in 5, and a mass spectrometer 18 is installed on the back surface thereof to measure the isotope ratio of ions collected in the electrode 15 or the abundance ratio of atoms. A detector 23 of the mass analyzer 18 is called a quadrupole analyzer. The ion energy control device 13 controls the ion recovery power supply 18 to adjust the voltage or frequency applied to the electrode 15 so that the abundance ratio of the isotope or atom for the purpose of recovery is maximized. Thereby, the energy of the ions can be controlled so that the charge exchange loss is minimized, and the charge exchange loss can be minimized. And
It is possible to maximize the recovery rate of isotopes or atoms for the purpose of recovery.
【００３３】次に、本発明の別の実施例を図７を用いて
説明する。本実施例も、イオン回収電極１５の間のプラ
ズマ１６より目的のイオン６を、電荷交換損失が最小に
なるようにして、引き出すものである。電荷交換損失の
制御方法は、イオンの速度を測定し、その速度が所定値
になるように制御することにより、電荷交換損失を制御
するものである。加速は、電極の片側にイオン回収電源
１７よりイオン回収電圧を印加し、イオンを電極方向に
加速することにより行う。Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Also in this embodiment, the target ions 6 are extracted from the plasma 16 between the ion recovery electrodes 15 so that the charge exchange loss is minimized. The charge exchange loss control method is to control the charge exchange loss by measuring the velocity of ions and controlling the velocity to be a predetermined value. The acceleration is performed by applying an ion recovery voltage from the ion recovery power supply 17 to one side of the electrode and accelerating the ions toward the electrode.
【００３４】イオン速度の測定原理を図５，９に示す。
本測定法は、蛍光を利用したレーザドップラー法と呼ば
れる。図９に示すように、プラズマ１６に測定用レーザ
Ａ，Ｂにより、２方向からレーザ光を入射し、２つのレ
ーザＡ，Ｂにより誘起されるイオンの蛍光を測定する。
イオンの運動方向と垂直にレーザＡを照射した時と運動
方向に対し角度θでレーザＢを照射した時とでは、レー
ザＢによる運動方向のドップラー効果により、蛍光のピ
ーク波長が図５のようにシフトする。シフト量Δλはイ
オンの速度Ｖ、レーザ波長λ、光速Ｃを用いて、The principle of measuring the ion velocity is shown in FIGS.
This measurement method is called a laser Doppler method using fluorescence. As shown in FIG. 9, laser light is incident on the plasma 16 from two directions by the measuring lasers A and B, and the fluorescence of the ions induced by the two lasers A and B is measured.
Due to the Doppler effect of the laser B in the direction of movement, the peak wavelength of fluorescence is as shown in FIG. shift. The shift amount Δλ is calculated by using the ion velocity V, the laser wavelength λ, and the light velocity C.
【００３５】[0035]
【数１】 [Equation 1]
【００３６】と表される。よってシフト量Δλを求めれ
ば、イオン速度Ｖが計算できる。It is expressed as Therefore, if the shift amount Δλ is obtained, the ion velocity V can be calculated.
【００３７】図７においては、イオンの速度は、イオン
の回収方向と回収方向の垂直方向とから測定用レーザ１
９を入射させ、この波長をスキャンしてイオンの蛍光ス
ペクトルを計測し、ドップラー効果により生じたピーク
波長のシフト量を求めることで計算できる。In FIG. 7, the velocity of ions is measured by measuring laser 1 from the ion collecting direction and the direction perpendicular to the collecting direction.
This can be calculated by making 9 incident and scanning this wavelength to measure the fluorescence spectrum of the ion, and obtaining the shift amount of the peak wavelength caused by the Doppler effect.
【００３８】蛍光は、受光器２５で受光して、光ファイ
バで分光機能付光学系（モノクロメータ）に送られる。
そして、分光機能付光学系２０で分光後、発光検出器２
１で検出し、イオンエネルギー制御装置１３でイオンの
速度およびイオンのエネルギーを計算する。The fluorescence is received by the light receiver 25 and is sent to the optical system with a spectroscopic function (monochromator) through the optical fiber.
Then, after the light is dispersed by the optical system 20 with the spectral function, the emission detector 2
1, and the ion energy control device 13 calculates the ion velocity and ion energy.
【００３９】あらかじめ電荷交換損失が最小になるイオ
ンのエネルギーをイオンエネルギー制御装置１３に入力
しておく。この値と、測定したイオンのエネルギーが同
じになるように、イオン回収電源１７をイオンエネルギ
ー制御装置１３で制御し、電極に印加する電圧または周
波数を調整する。これにより電荷交換損失を最小にする
イオンのエネルギーに制御することが可能であり、電荷
損失を最小にすることができる。そして、回収を目的と
する同位体または、原子の回収率を最大にすることがで
きる。The energy of the ion that minimizes the charge exchange loss is input to the ion energy control device 13 in advance. The ion recovery power supply 17 is controlled by the ion energy control device 13 so that this value and the measured ion energy are the same, and the voltage or frequency applied to the electrodes is adjusted. As a result, it is possible to control the energy of the ions to minimize the charge exchange loss, and the charge loss can be minimized. Then, the recovery rate of isotopes or atoms for the purpose of recovery can be maximized.
【００４０】図８に、プラズマを直流電界で回収した時
（ＤＣイオン回収）と、高周波電界で回収した時（ＲＦ
イオン回収）のイオン速度の計算結果を示す。横軸は、
図７の回収電極１５間の位置を示す。Ｘ＝０は、電極１
５間の中間の位置を示す。ＤＣイオン回収では、回収電
圧がー１７０Ｖのときに、わずかにイオンが加速されて
いることが分かる。回収電圧を上昇させれば、イオンの
エネルギーはもっと上がる。これに対し、ＲＦイオン回
収ではＤＣ回収電圧（ＲＦ回収電圧の中心値）１００
Ｖ、ＲＦ回収電圧のピーク幅２００Ｖppで、イオンが数
eVに加速されていることが分かる。回収電圧を上昇さ
せれば、イオンのエネルギーは数100eVに上がる。FIG. 8 shows the time when the plasma is recovered in the DC electric field (DC ion recovery) and the time when the plasma is recovered in the high frequency electric field (RF.
The calculation result of the ion velocity of (ion recovery) is shown. The horizontal axis is
The position between the collection electrodes 15 of FIG. 7 is shown. X = 0 is electrode 1
An intermediate position between 5 is shown. In the DC ion recovery, it can be seen that the ions are slightly accelerated when the recovery voltage is -170V. If the recovery voltage is increased, the ion energy will increase. On the other hand, in the RF ion recovery, the DC recovery voltage (center value of the RF recovery voltage) 100
The peak width of V and RF recovery voltage is 200Vpp and the number of ions
You can see that it is accelerated to eV. If the recovery voltage is raised, the energy of the ions will rise to several 100 eV.
【００４１】以上の計算結果よりイオンのエネルギー制
御は可能であり、高周波電界によるイオン回収では特に
制御範囲が広くとれることがあきらかである。From the above calculation results, it is clear that the energy control of ions is possible, and that the range of control is particularly wide in the ion recovery by the high frequency electric field.
【００４２】以上の実施例では、電荷交換断面積を最小
すなわち、回収に対象とする原子の存在割合が最大とな
るように制御する例を示したが、本発明は、これらに限
られるものではなく、電荷交換断面積を最小値以外のあ
る値にする、すなわち、回収の対象である原子の存在割
合をある値にするように制御することとしても良い。こ
のように制御するのは、要求される物質の仕様から特定
の原子をある割合で含む物質を作成する必要がある場合
があるからである。In the above-mentioned embodiments, an example in which the charge exchange cross-section is controlled to be the minimum, that is, the existence ratio of the atoms to be recovered is maximized, but the present invention is not limited to these. Alternatively, the charge exchange cross-section may be controlled to a value other than the minimum value, that is, the abundance ratio of atoms to be recovered may be controlled to a value. The reason for controlling in this way is that it may be necessary to prepare a substance containing a specific atom in a certain ratio from the required substance specifications.
【００４３】[0043]
【発明の効果】本発明によれば、回収を目的とするイオ
ンが他の原子と電荷交換し、回収できなくなる電荷交換
損失を最小にすることができ、回収を目的とするイオン
を効率よく回収することができる。According to the present invention, it is possible to minimize the charge exchange loss in which an ion to be recovered exchanges charge with another atom and cannot be recovered, and the ion to be recovered can be efficiently recovered. can do.
【図１】本発明に係るイオン回収装置の説明図FIG. 1 is an explanatory diagram of an ion recovery device according to the present invention.
【図２】電荷交換の説明図FIG. 2 is an explanatory diagram of charge exchange.
【図３】電荷交換断面積の衝突エネルギー依存性の理論
推定値のグラフFIG. 3 is a graph of theoretical estimated values of collision energy dependence of charge exchange cross section.
【図４】電荷交換断面積の衝突エネルギー依存性の実験
値のグラフFIG. 4 is a graph of experimental values of collision energy dependence of charge exchange cross section.
【図５】レーザドップラー法による測定例の説明図FIG. 5 is an explanatory diagram of a measurement example by a laser Doppler method.
【図６】本発明に係るイオン回収装置の説明図FIG. 6 is an explanatory diagram of an ion recovery device according to the present invention.
【図７】本発明に係るイオン回収装置の説明図FIG. 7 is an explanatory diagram of an ion recovery device according to the present invention.
【図８】イオン回収時のイオン速度の計算値の説明図FIG. 8 is an explanatory diagram of a calculated value of ion velocity during ion collection.
【図９】レーザドップラー法の説明図FIG. 9 is an explanatory diagram of a laser Doppler method.
１：真空容器、２：るつぼ、３：蒸発試料、４：電子
銃、５：蒸発物質、６：回収の対象である原子、７：レ
ーザ、８：回収電極、９：回収の対象でない原子、１
０：廃品回収板、１１：蒸発装置、１２：励起イオン生
成装置、１３：イオンエネルギー制御装置、１４：イオ
ン回収装置、１５：イオン回収電極、１６：プラズマ、
１７：イオン回収電源、１８：質量分析器、１９：測定
用レーザ、２０：分光機能付光学系、２１：発光検出器1: Vacuum container, 2: Crucible, 3: Evaporated sample, 4: Electron gun, 5: Evaporated substance, 6: Atom to be recovered, 7: Laser, 8: Recovery electrode, 9: Atom not to be recovered, 1
0: waste product recovery plate, 11: evaporation device, 12: excited ion generation device, 13: ion energy control device, 14: ion recovery device, 15: ion recovery electrode, 16: plasma,
17: Ion recovery power source, 18: Mass spectrometer, 19: Laser for measurement, 20: Optical system with spectroscopic function, 21: Emission detector
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 土田 一輝 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所エネルギー研究所内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Kazuki Tsuchida 7-2-1 Omika-cho, Hitachi-shi, Ibaraki Hitachi Energy Research Laboratory, Ltd.
Claims (13)
つが異なる複数種類の原子を含む物質から、回収の対象
である対象原子をイオン化して回収する際に、イオン化
された上記対象原子を励起状態とするイオン回収装置に
おいて、 イオン化された上記対象原子の運動エネルギーを制御す
ることにより、回収された物質中の上記対象原子の存在
割合を制御する制御手段を有することを特徴とするイオ
ン回収装置。1. At least one of mass number and atomic number
When a target atom to be recovered is ionized and recovered from a substance containing a plurality of different types of atoms, one of the ionized target atoms is An ion recovery apparatus, comprising control means for controlling the abundance ratio of the target atom in the recovered substance by controlling kinetic energy.
出手段を有し、 検出された上記対象原子の存在割合が最大となるように
上記運動エネルギーを制御することを特徴とするイオン
回収装置。2. The ion recovery apparatus according to claim 1, wherein the control means has a detection means for detecting the abundance ratio of the target atom in the recovered substance, and the detected abundance ratio of the target atom is An ion recovery device characterized in that the kinetic energy is controlled so as to be maximum.
出手段を有し、 検出された上記対象原子の存在割合が予め定められた存
在割合になるように上記運動エネルギーを制御すること
を特徴とするイオン回収装置。3. The ion recovery apparatus according to claim 1, wherein the control means has a detection means for detecting the abundance ratio of the target atom in the recovered substance, and the detected abundance ratio of the target atom is An ion recovery device, characterized in that the kinetic energy is controlled so as to have a predetermined existence ratio.
る検出手段を有し、 検出された上記運動エネルギーが予め定められた値にな
るように上記運動エネルギーを制御することを特徴とす
るイオン回収装置。4. The ion recovery apparatus according to claim 1, wherein the control means has a detection means for detecting kinetic energy of the ionized target atom, and the detected kinetic energy has a predetermined value. The ion recovery device is characterized in that the kinetic energy is controlled so that
大となるように設定されていることを特徴とするイオン
回収装置。5. The ion recovery apparatus according to claim 4, wherein the predetermined value is set so that the existence ratio of the target atom is maximized.
め定められた存在割合になるように設定されていること
を特徴とするイオン回収装置。6. The ion recovery apparatus according to claim 4, wherein the predetermined value is set such that the abundance ratio of the target atom is a predetermined abundance ratio. Recovery device.
つが異なる複数種類の原子を含む物質から、回収の対象
である対象原子をイオン化するとともに、イオン化され
た上記対象原子を励起状態とするイオン励起手段を有す
るイオン回収装置において、 イオン化された上記対象原子の運動エネルギーを制御す
ることにより、回収された物質中の上記対象原子の存在
割合を制御する制御手段と、 イオン化された上記対象原子を回収する回収手段と、 イオン化されなかった上記原子を回収する廃品回収手段
とを有することを特徴とするイオン回収装置。7. At least one of mass number and atomic number
In the ion recovery device having the ion excitation means for ionizing the target atom to be recovered from the substance containing a plurality of different types of atoms and for making the ionized target atom into the excited state, the ionized target atom Control means for controlling the abundance ratio of the target atom in the recovered substance by controlling the kinetic energy of, the recovery means for recovering the ionized target atom, and the non-ionized atom. An ion recovery device, comprising: a waste product recovery means.
つが異なる複数種類の原子を含む物質から、回収の対象
である対象原子をイオン化して回収する際に、イオン化
された上記対象原子を励起状態とするイオン回収方法に
おいて、 イオン化された上記対象原子の運動エネルギーを制御す
ることにより、回収された物質中の上記対象原子の存在
割合を制御することを特徴とするイオン回収方法。8. At least one of mass number and atomic number
When a target atom to be recovered is ionized and recovered from a substance containing a plurality of different types of atoms, in the ion recovery method in which the ionized target atom is in an excited state, the ionized target atom An ion recovery method, characterized in that the proportion of the target atom in the recovered substance is controlled by controlling the kinetic energy.
上記運動エネルギーを制御することを特徴とするイオン
回収方法。9. The ion recovery method according to claim 8, wherein the abundance ratio of the target atom in the recovered substance is detected, and the kinetic energy is controlled so that the abundance ratio of the detected target atom is maximized. An ion recovery method characterized by:
て、 回収した物質中の上記対象原子の存在割合を検出し、 検出された上記対象原子の存在割合が予め定められた存
在割合になるように上記運動エネルギーを制御すること
を特徴とするイオン回収方法。10. The ion recovery method according to claim 8, wherein the abundance ratio of the target atom in the recovered substance is detected, and the abundance ratio of the detected target atom is set to a predetermined abundance ratio. An ion recovery method comprising controlling the kinetic energy.
て、 イオン化された上記対象原子の運動エネルギーを検出
し、 検出された上記運動エネルギーが予め定められた値にな
るように上記運動エネルギーを制御することを特徴とす
るイオン回収方法。11. The ion recovery method according to claim 8, wherein the kinetic energy of the ionized target atom is detected, and the kinetic energy is controlled so that the detected kinetic energy has a predetermined value. An ion recovery method characterized by the above.
て、 上記予め定められた値は、上記対象原子の存在割合が最
大となるように設定されていることを特徴とするイオン
回収方法。12. The ion recovery method according to claim 11, wherein the predetermined value is set so that the existence ratio of the target atom is maximized.
て、 上記予め定められた値は、上記対象原子の存在割合が予
め定められた存在割合になるように設定されていること
を特徴とするイオン回収方法。13. The ion recovery method according to claim 11, wherein the predetermined value is set such that the abundance ratio of the target atom is a predetermined abundance ratio. Recovery method.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16545894A JPH0824627A (en) | 1994-07-18 | 1994-07-18 | Ion recovery method and apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16545894A JPH0824627A (en) | 1994-07-18 | 1994-07-18 | Ion recovery method and apparatus |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0824627A true JPH0824627A (en) | 1996-01-30 |
Family
ID=15812807
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16545894A Pending JPH0824627A (en) | 1994-07-18 | 1994-07-18 | Ion recovery method and apparatus |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0824627A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005259476A (en) * | 2004-03-10 | 2005-09-22 | Institute Of Physical & Chemical Research | Simultaneous generation method of spin polarized electron and spin polarized ion and its device |
| JP2009216387A (en) * | 2007-07-23 | 2009-09-24 | National Institute For Materials Science | Method for magnetic structure analysis and apparatus for spin polarized ion scattering spectroscopy used therein |
-
1994
- 1994-07-18 JP JP16545894A patent/JPH0824627A/en active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005259476A (en) * | 2004-03-10 | 2005-09-22 | Institute Of Physical & Chemical Research | Simultaneous generation method of spin polarized electron and spin polarized ion and its device |
| JP4481687B2 (en) * | 2004-03-10 | 2010-06-16 | 独立行政法人理化学研究所 | Method and apparatus for simultaneously generating spin-polarized electrons and spin-polarized ions |
| JP2009216387A (en) * | 2007-07-23 | 2009-09-24 | National Institute For Materials Science | Method for magnetic structure analysis and apparatus for spin polarized ion scattering spectroscopy used therein |
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