JPH11214200A - 荷電粒子加速器 - Google Patents

荷電粒子加速器

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JPH11214200A
JPH11214200A JP10017566A JP1756698A JPH11214200A JP H11214200 A JPH11214200 A JP H11214200A JP 10017566 A JP10017566 A JP 10017566A JP 1756698 A JP1756698 A JP 1756698A JP H11214200 A JPH11214200 A JP H11214200A
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JP
Japan
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charged particles
particle accelerator
accelerator
axis
charged particle
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JP10017566A
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English (en)
Inventor
Hiroshi Fujisawa
博 藤澤
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Nissin Electric Co Ltd
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Nissin Electric Co Ltd
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/14Vacuum chambers
    • H05H7/18Cavities; Resonators
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H13/00Magnetic resonance accelerators; Cyclotrons
    • H05H13/10Accelerators comprising one or more linear accelerating sections and bending magnets or the like to return the charged particles in a trajectory parallel to the first accelerating section, e.g. microtrons or rhodotrons

Abstract

(57)【要約】 【課題】 イオン注入などに用いられ、比較的重い荷電
粒子2に対して加速を行うことができる粒子加速器1の
小型化および省電力化を図る。 【解決手段】 荷電粒子2の入射軸をX軸とするとき、
加速管Aの電極3に、前記X軸の孔HXに対して相互に
直交する孔HY,HZを形成し、それらを順次偏向器M
1,M2で接続して、前記荷電粒子2に3次元軌道を描
かせて、1つの加速管Aで3度の加速を行う。したがっ
て、エネルギゲインを3倍に高めることができ、電源P
Sを1/3として、大幅な低コスト化を図ることができ
るとともに、加速管Aの小型化を図ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、イオン注入装置、
イオンビーム照射装置、およびPIXE(ProtonInduce
d X-Ray Emission )やSIMS(Secondary Ion Mass
Spectrometry )等のイオンビームを使った表面分析装
置などで好適に実施される荷電粒子加速器に関する。
【0002】
【従来の技術】高周波加速器の歴史は、1924年に
G.Isingの直線型に初まり、サイクロトロン、ベ
ータトロン、シンクロトロンの円形型を経て、1987
年には、A.N’GuyenとJ.Pottierとに
よって提案(仏国特許第8707378号および米国特
許第5107221号)されたRHODOTRONと呼
ばれるバラの花びらを一筆書きしたようなビーム軌道を
描く加速器が商品化されている。これら各加速器のビー
ム軌道を図9で示す。
【0003】前記RHODOTRONは、荷電粒子を加
速器内で何度も往復させて該荷電粒子のエネルギを高め
ており、加速管を励振させる電力に対するエネルギゲイ
ンを高くすることができるとともに、加速器の占有スペ
ースを小さくすることができ、小型化および省電力化に
好適である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
RHODOTRONは電子ビーム専用であり、このRH
ODOTRONに、前記イオン注入装置やイオンビーム
照射装置などで用いられる、たとえばボロンなどの比較
的重い荷電粒子を注入すると、加速管から出射された荷
電粒子を再び加速管へ注入するための偏向器の曲率が大
きくなってしまう。したがって、荷電粒子を加速器の中
で何度も往復させて大きなエネルギゲインを得るために
は、加速管の周囲に配置される偏向器の発生磁界を大き
くし、すなわち前記曲率を小さくして、加速器の周囲に
配置される偏向器の数を増大させることができるように
構成する必要があり、このため、得られるエネルギゲイ
ンに限界がある。
【0005】本発明の目的は、比較的重い荷電粒子にも
適用することができ、小型化および省電力化を図ること
ができる荷電粒子加速器を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】請求項1の発明に係る荷
電粒子加速器は、外部から導入した高周波電力で励起し
た高電界によって荷電粒子を所望とするエネルギに加速
する荷電粒子加速器において、荷電粒子の入射軸または
出射軸の少くとも何れか一方の属する平面とともに、該
平面とは異なる平面にも軸線を有する孔が多数形成され
た電極を備える加速管と、入射された荷電粒子が前記電
極の孔を順次通過してゆくように、孔間を接続する偏向
器とを含むことを特徴とする。
【0007】上記の構成によれば、イオン源や質量分析
器などから入射された荷電粒子は、該荷電粒子の入射軸
または出射軸の属する平面、たとえばX軸の属する平面
とともに、偏向器を介して、該X軸の属する平面とは異
なる、たとえば直交するY軸の属する平面やZ軸の属す
る平面にも軸線を有する多数の電極の孔に、順次入射さ
れて加速されてゆく。
【0008】したがって、荷電粒子は、3次元の軌跡を
描くことになり、偏向器の曲率をむやみに大きくしなく
ても、荷電粒子に加速管内を何度も通過させることがで
き、比較的重い粒子を所望とするエネルギまで加速する
ことができるとともに、高いエネルギゲインで、小型化
および省電力化を図ることができる。
【0009】なお、入射される荷電粒子に対して、高周
波電力の位相を変化させることで、減速器として機能す
ることは言うまでもない。
【0010】また、請求項2の発明に係る荷電粒子加速
器は、前記加速管に関連して共振器を設けるとともに、
ビーム合成器およびビーム取出器を設け、荷電粒子のエ
ネルギに対応して加速管の共振周波数および偏向器の磁
界を制御し、荷電粒子に複数回同じ軌道を通過させるこ
とを特徴とする。
【0011】上記の構成によれば、シンクロトロンと同
様に、荷電粒子に複数回同じ軌道を通過させるにあたっ
て、荷電粒子のエネルギの増加に対して加速管の共振周
波数を高めるとともに、偏向器の磁界を大きくすること
によって、荷電粒子の軌道がずれることなく、すなわち
加速器に軌道の長さなどの構造的な変化を生じさせるこ
となく、所望とするエネルギまで高効率に荷電粒子を加
速させることができる。
【0012】
【発明の実施の形態】本発明の実施の第1の形態につい
て、図1〜図4に基づいて説明すれば以下のとおりであ
る。
【0013】図1は、本発明の実施の第1の形態の粒子
加速器1の概略的構成を示す斜視図である。この粒子加
速器1は、荷電粒子2の入射軸であるX軸とともに、該
X軸と直交するY軸およびZ軸に軸線をそれぞれ有する
孔HX,HY,HZが形成された電極3を備える加速管
Aと、2つの偏向器M1,M2と、電源PSとを備えて
構成されている。
【0014】イオン源や質量分析器からX軸方向に入射
された荷電粒子2は、加速管Aの孔HXを通過した後、
XY平面上で前記偏向器M1によって軌道が270°曲
げられ、すなわち前記X軸と直交するY軸方向に曲げら
れた後、孔HYから再び加速管Aに入射し、出射する
と、偏向器M2によってYZ平面上で軌跡が270°曲
げられた後、孔HZから加速管Aに入射し、Z軸方向に
出射される。加速管Aは、電源PSによって励振されて
おり、荷電粒子2は、該加速管Aを一度通過することに
よって、ΔEだけエネルギが増加される。すなわち、荷
電粒子2の入射時のエネルギをEとすると、出射時のエ
ネルギは、E+3ΔEとなる。
【0015】したがって、この粒子加速器1は、図2で
示す粒子加速器10のように、電源PS1,PS2,P
S3によってそれぞれ励振され、縦続接続された3段の
直線型の加速器A1,A2,A3と等価と考えることが
できる。
【0016】したがって、本発明の粒子加速器1は、粒
子加速器10と比べて、偏向器M1,M2の励磁エネル
ギは増加するけれども、粒子加速器のコストの内で極め
て大きな割合を占める電源PSを、3台から1台に削減
することができ、低コスト化を図ることができるととも
に、粒子加速器が占めるスペースの点でも非常に有利で
あることが理解される。
【0017】図3は、電極3の一例を示す斜視図であ
る。電極3は、図3(a)で示すように、導電性材料か
ら成る立方体に、相互に対向する面間を挿通する前記孔
HX,HY,HZが穿孔して形成されたものであっても
よく、また図3(b)で示すように、前記孔HX,H
Y,HZをそれぞれ有する導電性材料から成る管体P
X,PY,PZを、それらの中心で、相互に直交し、か
つ前記孔HX,HY,HZが相互に連通するように組立
てて構成されてもよい。
【0018】また、高周波電場を発生させる手段として
は、たとえば図4(a)で示すようなλ/2インダクタ
ンス共振器や、図4(b)で示すλ/4インダクタンス
共振器の構造としてもよい。
【0019】さらにまた、前記偏向器M1,M2には、
2極電磁石、2極永久磁石、およびそれらの組合わせ、
ならびに静電デフレクタなどが用いられてもよい。
【0020】このようにして、粒子加速器11は、加速
管Aにおいて、荷電粒子2を相互に直交するX,Y,Z
軸方向に順次走行させて加速を行うので、該荷電粒子2
がイオン注入などで用いられる比較的重い粒子で偏向器
M1,M2の曲率をあまり大きく取れない場合でも、該
荷電粒子2を所望とするエネルギレベルまで加速するこ
とができる。これによって、前記所望とするエネルギレ
ベルまで荷電粒子2を加速するにあたって、エネルギゲ
インが3倍となり、前記電源PSの大きさを1/3とし
て、大幅な低コスト化を図ることができる。また、偏向
器M1,M2の大きさを含めても、前記所望とするエネ
ルギレベルの粒子加速器を実現するにあたって、大幅な
小型化を図ることができる。
【0021】なお、入射される荷電粒子2に対して、高
周波電力の位相を変化させることで、減速器として機能
することは言うまでもない。
【0022】本発明の実施の第2の形態について、図5
に基づいて説明すれば以下のとおりである。
【0023】図5は、本発明の実施の第2の形態の粒子
加速器11の具体的構成を示す断面図である。この粒子
加速器11は、高周波電界の周波数が、たとえば50〜
100MHzより低い場合に好適に実施される粒子加速
器であり、相互に分離された加速部12と、共振部13
と、前記電源PSとを備えて構成されている。
【0024】前記加速部12は、前記周波数帯域で電力
効率が高く、前記図3(b)で示すように、X,Y,Z
軸方向にそれぞれ延びる管体PX,PY,PZが接合さ
れて構成される電極14と、該電極14を収納し、大地
電位に接続されるタンク15と、このタンク15の6面
にそれぞれ形成された孔16と連通し、前記管体PX,
PY,PZへ入射または該管体PX,PY,PZから出
射する荷電粒子を導く管状の大地電極17とを備えて構
成されている。
【0025】前記共振部13は、前記電極14に一端が
接続され、前記図4(b)で示すλ/4共振器を構成す
るインダクタ21と、このインダクタ21を収納し、該
インダクタ21の他端が接合される大地電位のタンク2
2と、前記インダクタ21へ電源PSからの高周波電力
を導入する結合器23と、共振周波数を安定させるため
の周波数チューナ24と、インダクタ21をタンク22
に支持させ、該インダクタ21の振動を抑える絶縁板2
5とを備えて構成されている。
【0026】前記電源PSからの高周波電力は、同軸ケ
ーブル26を介して導入され、タンク22と電気的に絶
縁され、かつ前記同軸ケーブル26の中心導体と電気的
に接続され、前記インダクタ21に臨む板状の前記結合
器23に与えられる。板状のこの結合器23とインダク
タ21との間でキャパタシタンスが形成され、該結合器
23とインダクタ21とが電界結合し、前記高周波電力
がインダクタ21を介して電極14に印加される。
【0027】前記インダクタ21は、小型化のためにコ
イル状に巻回されている。また、該インダクタ21は上
述のようにして導入された高周波電力の多くを消費し、
高周波電流が多く流れる表面の発熱に対応するために、
該インダクタ21は二重筒構造とされて、タンク22の
外部から導入された冷却水が該インダクタ21内を往復
するように構成されている。
【0028】前記結合器23とインダクタ21との結合
度は、それらの間の距離を変化することによって変化す
ることができる。なお、高周波電力の導入は、同様に、
電磁的な結合によっても可能であり、この場合に、イン
ダクタ21が、その周囲を磁界が回っている直導体であ
る場合には比較的容易に結合させることができるけれど
も、コイル状の導体である場合には、結合度を大きくす
るために、結合器23を近接させてやる必要がある。
【0029】前記周波数チューナ24は、前記結合器2
3と同様に、インダクタ21の他端側に臨み、タンク2
2に接続され、すなわち大地電位の導体板27と、この
導体板27を駆動するモータなどの駆動源28とを備え
て構成されている。共振器の壁面、すなわち、タンク2
2の壁面がインダクタ21に近接する程、それらの間の
キャパシタンスが増加し、共振周波数が低下する。周波
数チューナ24は、これを模擬的に実現する。したがっ
て、導体板27は、駆動源28によって、少くとも矢符
29で示すインダクタ21の軸線方向に変移可能とさ
れ、また矢符30で示すインダクタ21への近接・離反
方向にも変移可能とされてもよい。これによって、温度
などによって変化する共振部13の共振周波数を、所望
とする周波数に安定化させることができる。
【0030】この周波数チューナ24は、前記結合器2
3と同様に、電磁型とされてもよい。また、共振周波数
を変化可能とするために、インダクタ21の他端を直導
体とし、この他端をタンク22の壁面から抜差可能とし
てもよく、また周波数チューナ24の前記導体板27の
変移量を大きくするようにしてもよく、さらにまたイン
ダクタ21のコイル部分内に透磁率の高い材質を出入可
能としてもよい。
【0031】本発明の実施の第3の形態について、図6
に基づいて説明すれば以下のとおりである。
【0032】図6は、本発明の実施の第3の形態の粒子
加速器31の具体的構成を示す透視斜視図である。この
粒子加速器31において、前述の粒子加速器11に類似
し、対応する部分には同一の参照符号を付して、その説
明を省略する。
【0033】この粒子加速器31は、高周波電界が前記
50〜100MHz以上から、1GHz程度の中高周波
の場合に好適に用いられる。前記周波数帯域では、前述
の粒子加速器11の加速部12と共振部13とのよう
に、それらを分離する必要がなく、電力効率およびスペ
ースの点で、インダクタ32は共振器の電極14と共通
のタンク33内に配置されている。また、インダクタ3
2を比較的短くすることができ、この図6で示す例で
は、このインダクタ32によってλ/2共振器を形成
し、かつ限られたタンク33の容積内で所定のインダク
タンスを得ることができるように、該インダクタ32
は、タンク33の対角線上に配置されている。
【0034】この粒子加速器31では、電源PSからの
高周波電力は、電磁結合によって導入されている。すな
わち、同軸ケーブル26の中心導体26aがタンク33
内に引込まれ、インダクタ32に臨むループを形成した
後、その先端部がタンク33の壁面に固定される。前記
ループ部分の面積が大きくなる程、結合度を大きくする
ことができる。このようにして、前記高周波電力が、電
磁結合によってインダクタ32に伝達される。
【0035】一方、周波数チューナ34は、前記インダ
クタ32の端部付近において多くの磁界が該インダクタ
32周りに発生するので、その磁界を横切るように配置
される板35と、この板35を回転する駆動源36とを
備えて構成されている。前記板35を磁界と垂直に配置
することによって、最も多くの磁界を遮断することがで
き、インダクタ32のインダクタンスを小さくすること
ができ、共振周波数を高くすることができる。
【0036】本発明の実施の第4の形態について、図7
に基づいて説明すれば以下のとおりである。
【0037】図7は、本発明の実施の第4の形態の粒子
加速器41の概略的構成を示す斜視図である。この粒子
加速器41は、図示しない偏向器によって、荷電粒子2
を、前述の各粒子加速器1,11,31のように立方体
状の加速管42の対向する面間だけでなく、隅角部間、
すなわち該立方体の対角線上にも走行させるようにした
ものである。
【0038】したがって、さらにエネルギゲインを高め
ることができる。
【0039】本発明の実施の第5の形態について、図8
に基づいて説明すれば以下のとおりである。
【0040】図8は、本発明の実施の第5の形態の粒子
加速器51の概略的構成を示す斜視図である。この粒子
加速器51は、前述の粒子加速器1,11,31に類似
し、対応する部分には、同一の参照符号を付してその説
明を省略する。注目すべきは、この粒子加速器51で
は、立方体状の加速管52の各平面から荷電粒子2が入
射および出射するとともに、偏向器を、参照符M1,M
2,M3で示すように3つ設け、かつビーム合成器53
とビーム取出器54とを設けるようにしたものである。
【0041】X軸方向に入射された荷電粒子2は、加速
管52から出射した後、ビーム取出器54および偏向器
M1によってXY平面上で270°回転され、加速管5
2にY軸方向に入射する。加速管52から出射した荷電
粒子2は、次はYZ平面上の偏向器M2によって270
°回転された後、加速管52にZ軸方向に入射する。加
速管52から出射された荷電粒子2は、さらに加速管M
3およびビーム合成器53によってXZ平面上で270
°回転されて、再びX軸方向に入射する。こうして、所
定回数だけ閉ループを通過して、所望とするエネルギと
なると、ビーム取出器54から出射される。
【0042】なお、ビーム取出器54は、必ずしもビー
ム合成器53と同一軸上に設けられていなくてもよい。
【0043】ここで、加速管52において、 E∝β2 であり、 βλ=一定値 である。なお、Eは、荷電粒子2のエネルギであり、λ
は、(1/共振周波数)であり、βは、荷電粒子の速度
/光速である。
【0044】したがって、荷電粒子2を複数回前記加速
管52内を周回させて、所望とするエネルギEまで加速
するためには、エネルギの上昇に伴って、共振周波数を
高くし、かつ偏向器M1〜M3の磁界を強くする必要が
ある。このため、図示しない加速管52の電源は、印加
する高周波電圧の周波数を高くし、かつ前記共振部13
なども、その共振周波数を高く変化する。同様に、偏向
器M1〜M3の電源は、印加電圧を高くする。このよう
にして、3次元のシンクロトロンとしての動作を実現す
ることができる。
【0045】
【発明の効果】請求項1の発明に係る荷電粒子加速器
は、以上のように、加速管の電極に、荷電粒子の入射軸
または出射軸の少くとも何れか一方の属する平面ととも
に、該平面とは異なる平面にも軸線を有する孔を多数形
成し、偏向器によって、入射された荷電粒子に前記孔を
順次通過させて、荷電粒子に3次元の軌跡を描かせる。
【0046】それゆえ、偏向器の曲率をむやみに大きく
しなくても、荷電粒子に加速管内を何度も通過させるこ
とができ、比較的重い粒子を所望とするエネルギまで加
速することができるとともに、小型化および省電力化を
図ることができる。
【0047】また、請求項2の発明に係る荷電粒子加速
器は、以上のように、ビーム合成器およびビーム取出器
を設けて、シンクロトロンと同様に荷電粒子に複数回同
じ軌道を通過させるにあたって、荷電粒子のエネルギに
対応して加速管の共振周波数および偏向器の磁界を制御
し、荷電粒子に複数回同じ軌道を通過させる。
【0048】それゆえ、荷電粒子のエネルギの増加に対
して、該荷電粒子の軌道にずれが生じることなく、すな
わち加速器に軌道の長さなどの構造的な変化を生じさせ
ることなく、所望とするエネルギまで高効率に荷電粒子
を加速させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の第1の形態の粒子加速器の構成
を示す斜視図である。
【図2】図1で示す粒子加速器と同じエネルギゲインを
得ることができる粒子加速器を直線型の粒子加速器で実
現した場合の概略的構成を示す斜視図である。
【図3】図1で示す粒子加速器に用いられる加速管の電
極の例を示す斜視図である。
【図4】図1で示す粒子加速器に用いられる共振器の例
を示す断面図である。
【図5】本発明の実施の第2の形態の粒子加速器の具体
的構成を示す断面図である。
【図6】本発明の実施の第3の形態の粒子加速器の具体
的構成を示す透視斜視図である。
【図7】本発明の実施の第4の形態の粒子加速器の概略
的構成を示す斜視図である。
【図8】本発明の実施の第5の形態の粒子加速器の概略
的構成を示す斜視図である。
【図9】従来技術の粒子加速器における荷電粒子の軌跡
を説明するための図である。
【符号の説明】
1,11,31,41,51 粒子加速器 2 荷電粒子 3,14 電極 12 加速部 13 共振部 15,22,33 タンク 16 孔 17 大地電極 21,32 インダクタ 23 結合器 24,34 周波数チューナ 26 同軸ケーブル 28,36 駆動源 42,52 加速管 53 ビーム合成器 54 ビーム取出器 A 加速管 A1〜A3 加速器 HX,HY,HZ 孔 M1〜M3 偏向器 PS;PS1〜PS3 電源 PX,PY,PZ 管体

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】外部から導入した高周波電力で励起した高
    電界によって荷電粒子を所望とするエネルギに加速する
    荷電粒子加速器において、 荷電粒子の入射軸または出射軸の少くとも何れか一方の
    属する平面とともに、該平面とは異なる平面にも軸線を
    有する孔が多数形成された電極を備える加速管と、 入射された荷電粒子が前記電極の孔を順次通過してゆく
    ように、孔間を接続する偏向器とを含むことを特徴とす
    る荷電粒子加速器。
  2. 【請求項2】前記加速管に関連して共振器を設けるとと
    もに、ビーム合成器およびビーム取出器を設け、 荷電粒子のエネルギに対応して加速管の共振周波数およ
    び偏向器の磁界を制御し、荷電粒子に複数回同じ軌道を
    通過させることを特徴とする請求項1記載の荷電粒子加
    速器。
JP10017566A 1998-01-29 1998-01-29 荷電粒子加速器 Pending JPH11214200A (ja)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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