WO2007094375A1 - イオンビーム検出器 - Google Patents

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WO2007094375A1
WO2007094375A1 PCT/JP2007/052645 JP2007052645W WO2007094375A1 WO 2007094375 A1 WO2007094375 A1 WO 2007094375A1 JP 2007052645 W JP2007052645 W JP 2007052645W WO 2007094375 A1 WO2007094375 A1 WO 2007094375A1
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WO
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ion beam
light
ion
unit
detector
Prior art date
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Application number
PCT/JP2007/052645
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English (en)
French (fr)
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Akira Noda
Yoshihisa Iwashita
Shu Nakamura
Hiroyuki Daido
Satoru Yamada
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Kyoto University NUC
National Institutes For Quantum Science and Technology
Original Assignee
Kyoto University NUC
National Institutes For Quantum Science and Technology
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/34—Dynamic spectrometers
    • H01J49/40—Time-of-flight spectrometers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/20—Measuring radiation intensity with scintillation detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/29—Measurement performed on radiation beams, e.g. position or section of the beam; Measurement of spatial distribution of radiation

Definitions

  • the present invention relates to an ion beam detector.
  • a solid track detector such as CR39 has been mainly used to measure an ion beam generated when a substance is irradiated with a high-intensity laser.
  • a material is irradiated with a high-intensity laser, light, X-rays, and electrons are mixed with the ion beam.
  • an online detector such as SSD or MCP used in nuclear experiments, the S / N ratio of the detected ion signal cannot be obtained sufficiently.
  • the above-described solid track detector CR39 is sensitive to light, X-rays, and electrons other than ion beams, so it measures the ion beam generated when a substance is irradiated with a high-intensity laser. It is best to do.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-139743; published on May 14, 2003 discloses a laser measurement device provided in a time-of-flight mass spectrometer.
  • the ion beam detection by the conventional solid track detector CR39 has a problem that it takes a long time to detect the ion beam.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an ion beam in real time while the energy of the generated ion beam is immediately known and laser irradiation is performed. It is an object to provide an ion beam detector capable of measuring the above.
  • An ion beam detector is an ion beam detector that detects an ion beam generated from an ion source in order to solve the above-described problem, and detects an X-ray mixed in the ion beam.
  • a light conversion unit that transmits and converts the ion beam into light; a light detection unit that detects light derived from the ion beam converted by the light conversion unit as an electrical signal; and the ion beam converts the light into the light.
  • a time-of-flight measuring unit that measures the time of flight until reaching the unit, and on the side where the light conversion unit receives the ion beam, an electron removing unit that removes electrons mixed in the ion beam, and the ion
  • a light shielding part that shields light mixed in the beam, and a curved part that is curved with respect to the optical axis of the ion beam incident on the light converting part is formed between the light converting part and the light detecting part.
  • the ion beam detector of the present invention is derived from a light conversion unit that transmits X-rays mixed in the ion beam and converts the ion beam into light, and an ion beam converted by the light conversion unit.
  • a light detection unit that detects the light as an electrical signal, and a time-of-flight measurement unit that measures a flight time until the ion beam reaches the light conversion unit.
  • the ion beam energy is measured by the ion beam detector based on the time of flight of the ion beam measured by the time of flight measurement unit. This flight time Is instant. As a result, the energy of the generated ion beam can be immediately determined, and the ion beam can be measured in real time while performing laser irradiation.
  • the light conversion unit receives an ion beam
  • an electron removing unit that removes electrons mixed in the ion beam
  • a light blocking unit that blocks light mixed in the ion beam. Therefore, the electrons mixed in the ion beam can be removed and the light mixed in the ion beam can be suppressed before the ion beam generated in the ion source reaches the light conversion unit. As a result, the generation of signals due to light and electrons can be suppressed, and the background can be reduced. As a result, the resolution between the light and electron signals detected by the light detection unit and the light signal derived from the ion beam is improved.
  • the light conversion unit transmits X-rays mixed in the ion beam, and is arranged between the light conversion unit and the light detection unit on the optical axis of the ion beam incident on the light conversion unit.
  • the curved portion is formed, it is possible to prevent the X-ray from reaching the light detection portion, to suppress the generation of a signal due to the X-ray, and to reduce the background.
  • the light converting section that transmits X-rays means a light converting section that transmits X-rays without showing any interaction with X-rays mixed in an ion beam. Therefore, the “light converting portion” in the present invention can be said to be “a light converting portion that does not react (sensitive) to X-rays mixed in the ion beam”.
  • the ion beam detector according to the present invention is configured to include a time-of-flight measuring unit that measures a time of flight until the ion beam reaches the light converting unit.
  • an ion beam detector that can immediately determine the energy of the generated ion beam and can measure the ion beam in real time while performing laser irradiation is realized. can do.
  • the ion beam detector detects an ion beam generated from an ion source.
  • An ion beam detector that transmits X-rays mixed in the ion beam and converts the ion beam into light; and light derived from an ion beam converted by the light conversion unit.
  • a light detection unit that detects the time of flight until the ion beam reaches the light conversion unit, and the light conversion unit is provided on the side that receives the ion beam.
  • An electron removing unit that removes electrons mixed in the ion beam, a light shielding unit that blocks light mixed in the ion beam, and between the light converting unit and the light detecting unit,
  • the force s can be expressed as a configuration in which a bending connection portion that is connected to be bent with respect to the optical axis of the ion beam incident on the light conversion portion is provided.
  • bent portion corresponds to a “bent connecting portion”.
  • the bent connection portion connects the light conversion portion and the light detection portion, and is bent with respect to the optical axis of the ion beam incident on the light conversion portion.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an ion detector according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an electron removing unit of the ion beam detector.
  • FIG. 3 (a) is a side view showing the configuration of a light shielding part, a light converting part, a bending part, and a light detecting part in the ion beam detector.
  • FIG. 3 (b) is an enlarged view of the light shielding part, the light converting part, and the bending part in FIG. 3 (a).
  • FIG. 4 An ion beam detector in which two dipole magnets are arranged so that the directions of generated magnetic fields are opposite to each other, an ion beam detector having one dipole magnet, and a dipole magnet.
  • FIG.5 An ion beam detector in which two dipole magnets are arranged so that the directions of the generated magnetic fields are opposite to each other, an ion beam detector having one dipole magnet, and a dipole magnet
  • the result of comparing the ion signals It is a graph showing the relationship between the signal and the flight time when the neutral density filter 2 + 4 + 8 is used.
  • FIG. 6 Comparison of ion signals for ion beam detector with bandpass filter and ion beam detector without bandpass filter, using neutral density filter 2 + 4, It is a graph showing the relationship between the signal and time of flight when two dipole electromagnets are arranged so that the directions of the generated magnetic fields are opposite to each other.
  • FIG. 5 is a graph showing a relationship between a signal and a time of flight when a bipolar electromagnet is not provided.
  • FIG. 8 A comparison of the ion signals for an ion beam detector with an aluminum film thickness of 0.8 xm and an ion beam detector without an aluminum film, showing the dimming fino letter 2+ The relationship between the signal and time of flight in the case of 4 + 8 + 2 and a bandpass filter and two dipole magnets arranged so that the directions of the generated magnetic fields are opposite to each other is shown. It is a graph to show.
  • FIG. 9 Results of comparison of ion signals for an ion beam detector with an aluminum deposition film with a thickness of 0.8 ⁇ and an ion beam detector with an aluminum deposition film with a thickness of 5 ⁇ m.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the ion detector of the present embodiment.
  • the ion beam detector 1 of the present embodiment measures the energy of ions 3 generated from the ion source 2 by a time-of-flight method.
  • the ion beam detector 1 includes a duct 4 for flying the ions 3, an electron removing unit 5 for removing electrons mixed in the ions 3 generated from the ion source 2, and a light beam mixed in the ions 3.
  • a light detecting unit 9 for detecting and a time-of-flight measuring unit 10 are provided.
  • a curved portion 8 is formed between the light conversion portion 7 and the light detection portion 9 so as to bend with respect to the optical axis of the ion 3 incident on the light conversion portion 7 (the axis ⁇ ′ of the duct 4). ing.
  • the ion source 2 generates ions 3 by irradiating the target material 11 with pulsed laser light 12.
  • the ion source 2 applicable to the ion beam detector 1 is not limited to the configuration shown in FIG. 1, and may be any ion source that can generate an ion beam.
  • examples of the ion source 2 applicable to the ion beam detector 1 include an ion source that focuses a laser on a jet target or an ion source that focuses a laser on a cluster target.
  • the duct 4 has a length L.
  • the ion beam detector 1 detects the energy of the ions 3 based on the flight time t when the ions 3 flew by the length L.
  • the time-of-flight measurement unit 10 measures the flight time t for which the ions 3 that have traveled in the duct 4 fly for a length L.
  • the time-of-flight measurement by the time-of-flight measurement unit 6 is performed based on the electrical signal of ions detected by the light detection unit 9 described later.
  • the flight time t becomes shorter as the energy of the ions 3 increases.
  • the time-of-flight measurement unit 10 calculates the energy of ions 3 by measuring the time of flight t.
  • the flight time t can be expressed as the following relational expression, where L is the flight distance of the ions 3 (corresponding to the length of the duct 4).
  • the flight time t measured by the flight time measurement unit 10 By substituting the flight time t measured by the flight time measurement unit 10 into the above relational expression, the kinetic energy T possessed by the ions 3 can be calculated.
  • the measurement of the energy of the ions 3 by the ion beam detector 1 is performed based on the flight time t during which the ions 3 fly the length L.
  • This flight time t can be determined instantaneously when the ions 3 reach the light detection section 9. For this reason, the energy of the generated ion beam can be immediately determined, and the ion beam can be measured in real time while performing laser irradiation.
  • ions 3 are generated from the ion source 2 while changing various parameters, it is possible to know on-line how the parameter change reflects the ion 3 energy.
  • the resolution of the light (photon), X-ray, or electron signal detected by the light detector 9 and the light signal derived from the ion 3 is deteriorated (light (photon), X-ray, or electron signal. ),
  • the accurate flight time t of ions 3 may not be measured.
  • the ion beam detector 1 of the present embodiment improves the resolution of the light (photon), X-ray, or electron signal and the ion 3 signal (light, X-ray, or electron signal).
  • the electron removal unit 5, the light shielding unit 6, the light conversion unit 7, the bending unit 8, and the light detection unit 9 are provided.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the electron removing unit 5.
  • FIG. 3 (a) is a side view showing the configuration of the light shielding part, the light converting part, the bending part, and the light detecting part in the ion beam detector, and
  • FIG. 3 (b) shows the light shielding part, It is the figure which expanded the light conversion part and the curved part.
  • the electron removing unit 5 is a bipolar electrode. Magnets (Dipole Magnets) 5 a ′ 5 b are provided, and the dipole magnets 5 a ′ 5 b are provided on the side wall of the duct 4.
  • the two-pole electromagnets 5a ′ 5b generate a magnetic field Ha′Hb perpendicular to the axis AA ′ of the duct 4. Further, the two-pole electromagnets 5a′5b are arranged so that the directions of the generated magnetic fields Ha′Hb are opposite to each other.
  • the electrons e- mixed in the ions 3 collide with the side wall of the duct 4 and do not reach the light shielding part 6.
  • the ions 3 reach the light-shielding portion 6 so that their trajectories are translated by the influence of the magnetic field Ha′Hb.
  • the electrons e_ mixed in the ions 3 are removed in the duct 4, so that generation of signals due to electrons can be suppressed and the background can be reduced. As a result, it becomes possible to reduce the ratio of signals caused by electrons mixed in signals caused by ions 3 detected by the light detection unit 9.
  • the intensity of the magnetic field Ha'Hb generated by the two-pole electromagnets 5a'5b is such that the electrons e- collide with the side wall of the duct 4 while the ions 3 do not collide with the side wall of the duct 4. If there is it, ...
  • the intensity of the magnetic field Ha′Hb can be appropriately set according to the type of the ion 3 or the energy of the electron e_ mixed in the ion 3. For example, if the intensity of the magnetic field Ha′Hb is set to 300 G, electrons of 2 MeV or less collide with the side wall of the duct 4. On the other hand, the ion (proton) of lOOkeV only moves about 2mm in the orbit.
  • the configuration of the electron removing unit is a configuration in which two two-pole electromagnets are arranged so that the directions of the generated magnetic field Ha′Hb are opposite to each other.
  • the configuration of the electron removing unit in the present invention is not particularly limited as long as it is a configuration capable of removing electrons mixed in ions.
  • the electron removing unit is not limited to a configuration that removes electrons by generating a magnetic field, and may have a configuration that removes electrons by generating an electric field.
  • the light shielding unit 6, the light converting unit 7, the bending unit 8, and the light detecting unit 9 will be described.
  • the light derived from the ions 3 converted by the light conversion unit 7 is received by the light detection unit 9. Yes.
  • a light shielding part 6 is provided on the surface where the light conversion part 7 receives the ions 3.
  • This shading part 6 has a function of blocking the light mixed in the ions 3 and transmitting the ions 3.
  • shielding means suppressing light transmission.
  • the member constituting the light shielding portion 6 is not particularly limited as long as it has a function of shielding light while transmitting ions 3.
  • a reflective film that reflects light toward the ion source 2 and transmits ions 3 may be used.
  • a reflective film is used as a member constituting the light-shielding portion 6, it is preferable to use a metal film that is light in mass (the atomic number (z) is small in the periodic table) and hardly oxidizes. This is because a metal film formed of a metal having a small atomic number in the periodic table of elements can easily pass ions 3.
  • a metal film particularly suitable as the reflective film for example, an aluminum (A1) vapor deposition film is cited.
  • the film thickness can be set according to the energy of the ions 3 generated in the ion source 2. For example, when detecting ions 3 on the order of lOOkeV or higher, the film thickness of the aluminum deposited film is about 2 ⁇ . This is because, when the film thickness of the aluminum vapor deposition film is about 2 / im, ions 3 below 220 keV do not permeate and remain in the aluminum vapor deposition film.
  • the ions 3 whose light is blocked by the light blocking unit 6 are incident on the light conversion unit 7.
  • the light conversion unit 7 is not particularly limited as long as it has a function of converting incident ions 3 into light and transmits the light.
  • a scintillator is preferable as a member constituting the light conversion unit 7.
  • a scintillator is a substance that generates light when particles enter.
  • an electric attractive force or repulsive force acts between the charged particles and the electrons in the scintillator. Under this influence, electrons are excited to emit light.
  • a plastic scintillator is preferred as a member constituting the light conversion unit 7.
  • the plastic scintillator has the advantage of improving the accuracy of time-of-flight measurement due to its fast response speed, and it is made of plastic, so it can be processed and quickly shaped into the desired shape due to space issues and environmental requirements. But Because it can.
  • the light conversion unit 7 is preferably configured to transmit X-rays mixed in ions 3.
  • the film thickness can be appropriately set according to the sensitivity to X-rays (light emission) or the energy of ions 3 to be detected. Specifically, if the film thickness of one plastic scintillator is 0.2 mm, X-rays mixed in ions 3 are transmitted and the sensitivity to X-rays is reduced, while ions 3 (protons) up to 2 MeV are contained in the plastic scintillator. It becomes possible to stay in.
  • the light converting section 7 that “transmits X-rays” refers to a light converting section that does not exhibit interaction with X-rays mixed in the ion beam and transmits X-rays. Therefore, it can be said that the light conversion unit 7 is a “light conversion unit that does not react (sensitive) to X-rays mixed in the ion beam”.
  • the bending portion 8 is provided to prevent the X-rays that pass through the light conversion portion 7 from reaching the light detection portion 9. That is, in the ion beam detector 1, the curved portion 8 is formed so as to be curved with respect to the optical axis of the ion 3 incident on the light converting portion 7 (the axis ⁇ ′ of the duct 4). The X-rays transmitted through the light conversion unit 7 are transmitted as they are, while the ions 3 are reflected and reach the light detection unit 9.
  • the members constituting the bending portion 8 are not particularly limited as long as they reflect light while transmitting X-rays.
  • Examples of the member constituting the bending portion 8 include acrylic resin.
  • curvature means “bend (bend)”. Therefore, the “curved portion 8” is bent between the light converting portion 7 and the light detecting portion 9 with respect to the optical axis of the ion 3 incident on the light converting portion 7 (the axis AA ′ of the duct 4). It can be expressed as a “bending connecting portion that connects”.
  • the bending connecting portion (curved portion 8) connects the light converting portion 7 and the light detecting portion 9 so as to be bent with respect to the optical axis of the ions 3 incident on the light converting portion 7, the light converting portion 7 Transparent The X-rays that pass through the bent connecting part are reflected as they are, while the ions 3 are reflected by the bent connecting part and reach the light detecting part 9.
  • the bent connecting portion (curved portion 8) is provided by being bent (bent) within an angle range of 30 ° to 90 ° with respect to the optical axis of the ion beam incident on the light converting portion. It is preferable. However, in the ion detector of the present invention, two bent connecting portions may be provided. For example, there may be mentioned a configuration in which two bent connecting portions are bent in opposite directions to each other, and the light detection unit 9 is parallel to the axis AA ′ but arranged away from the axis AA ′.
  • an absorbing member that absorbs X-rays may be provided in the traveling direction of the X-rays that pass through the light converting portion 7.
  • X-rays mixed in the ions 3 can be more reliably prevented from reaching the light detection unit 9.
  • the member that absorbs X-rays include lead glass.
  • the bending portion 8 is provided with a filter 13.
  • Filter 13 is composed of a neutral density (ND) filter and / or a bandpass filter.
  • ND neutral density
  • the neutral density filter 1 reduces the amount of light.
  • the bandpass filter 1 allows only light corresponding to the wavelength region of the light derived from the ions 3 converted by the light converting unit 7 to pass therethrough.
  • the filter 13 is provided in order to optimize the ion detection sensitivity (sensitivity for detecting light derived from ions) of the light detection unit 9 described later. Therefore, the configuration of the filter 13 can be appropriately set according to the ion detection sensitivity of the light detection unit 9. For example, if the ion detection signal of the light detection unit 9 is extremely low and the signal of the ion 3 is weak, the filter 13 may not be provided. Further, the number of neutral density filters and / or bandpass filters constituting the filter 13 can be appropriately set according to the ion detection sensitivity of the light detection unit 9 and the light conversion efficiency of the light conversion unit 7. is there.
  • the light detection unit 9 detects the ions 3 converted into light by the light conversion unit 7. Specifically, the light detection unit 9 converts the light derived from the ions 3 received by the light receiving surface into an electrical signal and outputs it.
  • a photomultiplier tube p hoto multiplier tube (hereinafter referred to as PMT)
  • PMT is an optical sensor that receives light and converts it into photoelectrons that are converted into amplified electrical signals. Since the PMT outputs light with very high sensitivity converted into an electrical signal, the ion detection sensitivity of the ion beam detector 1 can be increased.
  • the above-described filter 13 may be provided as necessary.
  • the ion beam detector 1 of the present embodiment includes the electron removing unit 5 that removes the electrons mixed in the ions 3, the light blocking unit 6 that blocks the light mixed in the ions 3, and the light. And a bending portion 8 formed so as to be bent with respect to the optical axis of the ion 3 incident on the conversion portion 7 (the axis AA ′ of the duct 4).
  • the time of flight of light (photon), X-rays, or electrons and the time of flight of ion 3 can be distinguished and measured.
  • the resolution of the light (photon), X-ray, or electron signal detected by the detector 9 and the light signal derived from ion 3 is improved (removes the background of the light, X-ray, or electron signal). To be possible).
  • a 10TW laser CFLITE-10) of the Kansai Research Institute, Japan Atomic Energy Agency was used as a means for irradiating the pulsed laser beam 12 in the ion source 2 for generating the ions 3.
  • Shot diameter II ⁇ ⁇ ⁇ 15 ⁇ ⁇ Repeat: 10Hz (irradiation is z )
  • the length L of the duct 4 is about 2 m.
  • a dipole electromagnet is used as the electron removing unit 5.
  • an aluminum vapor deposition film is used as a member constituting the light shielding portion 6.
  • a plastic scintillator is used as a member constituting the light conversion section 7, and its film thickness is set to 0.2 mm.
  • Atalinole resin is used as a member constituting the bending portion 8.
  • PMT H7195: manufactured by Hamamatsu Photonics was used as a member constituting the light detection unit 9.
  • Example 1 the influence of ion detection based on the number of dipole electromagnets as the electron removing unit 5 was examined. Specifically, an ion beam detector in which two dipole electromagnets are arranged so that the directions of generated magnetic fields are opposite to each other, an ion beam detector having one dipole electromagnet, and a dipole electromagnet Ion signals were compared for ion beam detectors that were not equipped. The results are shown in Figs. Fig. 4 is a graph showing the relationship between the signal and flight time when the neutral density filter 2 + 4 is used, and Fig. 5 shows the signal and time of flight when the neutral density filter 2 + 4 + 8 is used. Is a graph showing the relationship between
  • the time force corresponding to the negative signal peak near 50 ns is the flight time of light, electrons, or X-rays mixed in the ions.
  • the time corresponding to the negative signal peak near 200 ns is the ion flight time.
  • the flight time of light, electrons, or X-rays mixed in ions is approximately 50 ns
  • the flight time of ions is approximately 200 ns.
  • the ion energy is the ion flight time And conversion based on the difference between the time of flight of light, electrons, or X-rays mixed in ions (shown as A in Fig. 4).
  • the approximate number of ions is estimated based on the height of the negative signal peak (shown as B in Fig. 4).
  • an ion beam detector in which two dipole electromagnets are arranged so that the directions of generated magnetic fields are opposite to each other, and an ion beam detector having one dipole electromagnet, light ( Photon), X-ray, or electron flight time and ion 3 flight time could be distinguished and measured.
  • Example 1 Therefore, it can be seen from Example 1 that the influence of electrons to be removed differs depending on the number of dipole electromagnets.
  • Example 2 the influence of ion detection using a neutral density filter and a bandpass filter (filter 13) was examined. Specifically, ion signals were compared for ion beam detectors equipped with bandpass filters and ion beam detectors not equipped with bandpass filters. The results are shown in Figs.
  • Figure 6 shows the relationship between the signal and the time of flight when using a neutral density filter 1 + 4 and two dipole magnets arranged so that the directions of the generated magnetic fields are opposite to each other.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the signal and the flight time when the neutral density filter 2 +4 +8 is used and the dipole magnet is not provided.
  • the neutral density filter has different signal strengths depending on the dimming condition. You can see that Therefore, it can be seen that the filter 13 mainly has a function of dimming although it differs depending on the presence or absence of the band-pass filter.
  • Example 3 the influence of ion detection by the aluminum vapor deposition film as the light shielding part 6 was examined. Specifically, ion signals were compared for an ion beam detector with an aluminum vapor deposition film with a thickness of 0.8 x m, an ion beam detector without an aluminum vapor deposition film, and an ion beam detector. The results are shown in Fig. 8.
  • Figure 8 shows the signal when the dipole filter 2 + 4 + 8 + 2 and the bandpass filter are used, and two dipole magnets are arranged so that the directions of the generated magnetic fields are opposite to each other. It is a graph which shows the relationship with flight time.
  • Figure 9 shows the results of comparing the ion signals for an ion beam detector with an aluminum vapor deposition film with a thickness of 0.8 xm and an ion beam detector with an aluminum vapor deposition film with a thickness of 5 zm. Indicates.
  • Example 3 the dipole filter 2 + 4 + 8 + 2 as the filter 13 and the bandpass filter, and two two-pole electromagnets so that the directions of the generated magnetic fields are opposite to each other Ion detection is performed with the configuration in which is arranged.
  • it is a configuration that can remove electrons and X-rays mixed in ions. Therefore, the signal disturbance seen in ion beam detectors that do not have an aluminum deposition film is because the light that is mixed with ions is not blocked, and the signal caused by the light is strong. Conceivable.
  • an ion beam detector having an aluminum deposited film with a thickness of 0.8 am can measure the time of flight of light (photon), X-rays, or electrons and the time of flight of ions separately. did it.
  • the ion beam detector transmits the X-rays mixed in the ion beam and converts the ion beam into light, and the light conversion unit.
  • a light detecting unit that detects the converted light derived from the ion beam as an electrical signal, and an electron removing unit that removes electrons mixed in the ion beam on the side where the light converting unit receives the ion beam;
  • the “curved portion” is expressed as “a bent connection portion that connects the light conversion portion and the light detection portion so as to be bent with respect to the optical axis of the ion beam incident on the light conversion portion”. be able to.
  • the bending portion (bending connecting portion) is 30 with respect to the optical axis of the ion beam incident on the light conversion portion. It is preferable to be bent within an angle range of ⁇ 90 °.
  • Measurement of the energy of the ion beam is performed based on the time of flight of the ion beam measured by the time of flight measurement unit. This flight time is instantaneous. Therefore, the energy of the generated ion beam is instantly It is possible to measure the ion beam in real time while performing laser irradiation.
  • the light converting unit includes an electron removing unit that removes electrons mixed in the ion beam and a light blocking unit that blocks light mixed in the ion beam on the side receiving the ion beam.
  • the light conversion unit transmits X-rays mixed in the ion beam, and between the light conversion unit and the light detection unit, with respect to the optical axis of the ion beam incident on the light conversion unit. Since the curved curved portion is formed, it is possible to prevent X-rays from reaching the light detection unit, suppress generation of signals due to X-rays, and reduce knocking ground. As a result, the resolution between the X-ray signal and ion beam signal detected by the photodetection unit is improved.
  • an ion beam detector that can immediately determine the energy of the generated ion beam and can measure the ion beam in real time while performing laser irradiation is realized. can do.
  • the electron removal unit includes a dipole electromagnet, and the dipole electromagnet is arranged so that the direction of the generated magnetic field is perpendicular to the optical axis of the ion beam. It is preferable that
  • the light shielding part is preferably a metal film that reflects light mixed in the ion beam toward the ion source and transmits the ion beam.
  • Metal film force W The light mixed in the on-beam is reflected to the ion source side, so that the light mixed in the ion beam can be reliably shielded.
  • the light conversion unit is one plastic scintillator.
  • the plastic scintillator has the advantage of improving the accuracy of time-of-flight measurement due to its high response speed, and it is made of plastic, so it can be easily processed and has space problems and environmental requirements. There is an advantage that a desired shape can be obtained.
  • the bending portion is provided with a neutral density filter that attenuates the light derived from the ion beam converted by the optical conversion portion. .
  • the bending portion is provided with a selection filter that selectively transmits the light derived from the ion beam converted by the light conversion portion.
  • the ion beam detection sensitivity of the light detection unit when the ion beam detection sensitivity of the light detection unit is high, the light derived from the ion beam converted by the light conversion unit is dimmed or selectively transmitted, so that the ion beam is transmitted. It is possible to optimize the detection sensitivity.
  • the ion beam detector of the present invention has good resolution between the light (photon), X-ray, or electron signal detected by the light detection unit and the ion-derived light signal. So It can be applied to fields that generate on-beams.

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Abstract

　生成されるイオンビームのエネルギーが即座に判り、かつ、レーザー照射を行いながら、リアルタイムでイオンビームの計測が可能なイオンビーム検出器を実現する目的で、本発明のイオンビーム検出器（１）は、イオン（３）に混在するＸ線を透過させ、かつイオン（３）を光に変換する光変換部（７）と、光変換部（７）にて変換されたイオン（３）由来の光を電気信号として検出する光検出部（９）と、イオン（３）が光変換部（７）に到達するまでの飛行時間を計測する飛行時間計測部（１０）とを有し、光変換部（７）がイオン（３）を受光する側に、イオン（３）に混在する電子を除去する電子除去部（５）と、イオン（３）に混在する光を遮光する遮光部（６）とを備えるとともに、光変換部（７）と光検出部（９）との間に、光変換部（７）に入射するイオン（３）の光軸に対し湾曲した湾曲部（８）が形成されていることを特徴とする。

Description

明 細 書
イオンビーム検出器
技術分野
[0001] 本発明は、イオンビーム検出器に関するものである。
背景技術
[0002] 従来、高強度のレーザーを物質に照射する際に発生するイオンビームを計測する ために、主に CR39等の固体飛跡検出器が用いられてきた。高強度のレーザーを物 質に照射するという実験環境下では、光、 X線、及び電子がイオンビームと混在して しまう。このため、原子核実験等で使用される SSD、 MCP等のオンライン検出器によ りイオンビームを計測すると、検出されるイオン信号の S/N比を充分に取ることがで きなくなる。
[0003] 一方、上述の固体飛跡検出器 CR39は、イオンビーム以外の光、 X線、及び電子に 感度がなレ、ので、高強度のレーザーを物質に照射する際に発生するイオンビームを 計測するのに最適とされている。
[0004] 固体飛跡検出器 CR39によるイオンビーム検出原理は、以下の通りである。
[0005] すなわち、 CR39中にイオンビームを入射すると、その飛跡に沿って局所的に損傷 が残るようになる。この損傷が残った CR39を、真空槽から取り出し、 NaOH等の塩基 で化学的に処理 (エッチング)する。これにより、損傷を受けていない場所におけるェ ツチング速度に対し、飛跡に沿ったエッチング速度が大きくなる。このため、 CR39に は、瘢痕（エッチピット）が形成される。そして、光学顕微鏡により視野を走査し、 CR3 9に形成された瘢痕を数えることで、イオンビームのエネルギーを測定する。
[0006] また、例えば特許文献 1 (特開 2003— 139743号公報； 2003年 5月 14日公開） には、飛行時間型質量分析装置に具備されたレーザ測定装置が開示されている。
[0007] し力 ながら、上記従来の固体飛跡検出器 CR39によるイオンビーム検出では、ィ オンビーム検出に長時間を要するという問題を生じる。
[0008] 具体的には、固体飛跡検出器 CR39によりイオンビームを検出する場合、イオンビ ーム照射後、 CR39を真空槽から取り出し、前処理としてエッチング処理を行うことに なる。さらに、その上、イオンビームの計測は、光学顕微鏡を用いた人力であるため、 イオンビームの照射からイオンビームの計測までに、長時間を要するという問題が生 じる。
[0009] 特に、高強度のレーザーを物質に照射することによりイオンビームを生成するィォ ンビーム生成装置では、そのイオンビームをオンライン（リアルタイム）でエネルギー 調整し、パラメータを最適化する必要がある。このようなイオンビーム生成装置に、従 来の固体飛跡検出器 CR39を適用した場合、イオンビームの計測に長時間を要して おり、パラメータ最適化の大きな障害となる。
発明の開示
[0010] 本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、生成されるィ オンビームのエネルギーが即座に判り、かつ、レーザー照射を行いながら、リアルタイ ムでイオンビームの計測が可能なイオンビーム検出器を提供することにある。
[0011] 本発明に係るイオンビーム検出器は、上記課題を解決するために、イオン源から発 生するイオンビームを検出するイオンビーム検出器であって、上記イオンビームに混 在する X線を透過し、かつ上記イオンビームを光に変換する光変換部と、上記光変 換部にて変換されたイオンビーム由来の光を電気信号として検出する光検出部と、 上記イオンビームが上記光変換部に到達するまでの飛行時間を計測する飛行時間 計測部とを有し、上記光変換部がイオンビームを受ける側に、上記イオンビームに混 在する電子を除去する電子除去部と、上記イオンビームに混在する光を遮光する遮 光部とを備えるとともに、上記光変換部と上記光検出部との間に、光変換部に入射す るイオンビームの光軸に対し湾曲した湾曲部が形成されていることを特徴としている。
[0012] 本発明のイオンビーム検出器は、上記イオンビームに混在する X線を透過し、かつ 上記イオンビームを光に変換する光変換部と、上記光変換部にて変換されたイオン ビーム由来の光を電気信号として検出する光検出部と、上記イオンビームが上記光 変換部に到達するまでの飛行時間を計測する飛行時間計測部とを有するものである
[0013] このイオンビーム検出器にぉレ、て、イオンビームのエネルギーの計測は、飛行時間 計測部にて計測されたイオンビームの飛行時間に基づレ、て行われる。この飛行時間 は瞬時に判るものである。このため、生成されるイオンビームのエネルギーが即座に 判り、かつ、レーザー照射を行いながら、リアルタイムでイオンビームの計測が可能に なる。
[0014] ところで、高強度のレーザーを物質に照射し、高エネルギー（lOOkeVオーダー以 上）のイオンビームを生成する環境下では、光、 X線、及び電子がイオンビームと混 在してしまう。
[0015] 上記の構成によれば、上記光変換部がイオンビームを受ける側に、上記イオンビー ムに混在する電子を除去する電子除去部と、上記イオンビームに混在する光を遮光 する遮光部とを備えるので、イオン源にて発生するイオンビームが光変換部に到達 するまでに、イオンビームに混在する電子を除去するとともに、イオンビームに混在す る光を抑制することができる。その結果、光、電子に起因する信号の発生を抑え、バ ックグラウンドを低減することができる。その結果、光検出部にて検出される光、電子 の信号とイオンビーム由来の光の信号との分解能が向上する。
[0016] さらに、上記光変換部は、上記イオンビームに混在する X線を透過させるとともに、 上記光変換部と上記光検出部との間に、光変換部に入射するイオンビームの光軸に 対し湾曲した湾曲部が形成されているので、 X線が光検出部に到達することが防止さ れ、 X線に起因する信号の発生を抑え、バックグラウンドを低減することができる。そ の結果、光検出部にて検出される X線の信号とイオンビームの信号との分解能が向 上する。なお、「X線を透過させる」光変換部とは、イオンビームに混在する X線に対 し相互作用を示さず、 X線が透過するような光変換部のことをいう。それゆえ、本発明 における「光変換部」は、「イオンビームに混在する X線に対し反応 (感応）しなレ、光変 換部」ともいえる。
[0017] さらに、本発明に係るイオンビーム検出器では、上記イオンビームが上記光変換部 に到達するまでの飛行時間を計測する飛行時間計測部を備えた構成である。
[0018] 以上のように、上記の構成によれば、生成されるイオンビームのエネルギーが即座 に判り、かつ、レーザー照射を行いながら、リアルタイムでイオンビームの計測が可能 なイオンビーム検出器を実現することができる。
[0019] また、本発明に係るイオンビーム検出器は、イオン源から発生するイオンビームを検 出するイオンビーム検出器であって、上記イオンビームに混在する X線を透過させ、 かつ上記イオンビームを光に変換する光変換部と、上記光変換部にて変換されたィ オンビーム由来の光を電気信号として検出する光検出部と、上記イオンビームが上 記光変換部に到達するまでの飛行時間を計測する飛行時間計測部とを有し、上記 光変換部がイオンビームを受ける側に、上記イオンビームに混在する電子を除去す る電子除去部と、上記イオンビームに混在する光を遮光する遮光部とを備えるととも に、上記光変換部と上記光検出部との間を、光変換部に入射するイオンビームの光 軸に対し屈曲するように連結する屈曲連結部が設けられている構成であると表現す ること力 sできる。
[0020] すなわち、上述した「湾曲部」が「屈曲連結部」に相当する。この屈曲連結部は、上 記光変換部と上記光検出部との間を連結するとともに、光変換部に入射するイオンビ ームの光軸に対し屈曲している。
[0021] 本発明のさらに他の目的、特徴、および優れた点は、以下に示す記載によって十 分わかるであろう。
図面の簡単な説明
[0022] [図 1]本発明の一実施形態のイオン検出器の概略構成を示す模式図である。
[図 2]上記イオンビーム検出器の電子除去部の概略構成を示す模式図である。
[図 3(a)]上記イオンビーム検出器における、遮光部、光変換部、湾曲部、及び光検出 部の構成を示す側面図である。
[図 3(b)]図 3 (a)における遮光部、光変換部、及び湾曲部を拡大した図である。
[図 4]発生する磁界の方向が互いに逆方向になるように 2つの 2極電磁石が配置され たイオンビーム検出器、 1つの 2極電磁石を備えたイオンビーム検出器、及び 2極電 磁石を備えていなレ、イオンビーム検出器について、イオンの信号を比較した結果を 示し、減光フィルター 2 + 4を用いた場合における信号と飛行時間との関係を示すグ ラフである。
[図 5]発生する磁界の方向が互いに逆方向になるように 2つの 2極電磁石が配置され たイオンビーム検出器、 1つの 2極電磁石を備えたイオンビーム検出器、及び 2極電 磁石を備えていないイオンビーム検出器について、イオンの信号を比較した結果を 示し、減光フィルター 2 + 4 + 8を用いた場合における信号と飛行時間との関係を示 すグラフである。
[図 6]バンドパスフィルターを備えたイオンビーム検出器、及びバンドパスフィルターを 備えていないイオンビーム検出器について、イオンの信号を比較した結果を示し、減 光フィルター 2 + 4を用レ、、かつ発生する磁界の方向が互いに逆方向になるように 2 つの 2極電磁石が配置された場合における信号と飛行時間との関係を示すグラフで ある。
[図 7]バンドパスフィルターを備えたイオンビーム検出器、及びバンドパスフィルターを 備えていないイオンビーム検出器について、イオンの信号を比較した結果を示し、減 光フィルター 2 + 4 + 8を用レ、、かつ 2極電磁石を備えていない場合における信号と 飛行時間との関係を示すグラフである。
[図 8]膜厚 0. 8 x mのアルミニウム蒸着膜を備えたイオンビーム検出器、アルミニウム 蒸着膜を備えていないイオンビーム検出器について、イオンの信号を比較した結果 を示し、減光フイノレター 2 + 4 + 8 + 2、及びバンドパスフィルターを有し、かつ発生す る磁界の方向が互いに逆方向になるように 2つの 2極電磁石が配置された場合にお ける信号と飛行時間との関係を示すグラフである。
[図 9]膜厚 0. 8 μ ΐηのアルミニウム蒸着膜を備えたイオンビーム検出器、及び膜厚 5 μ mのアルミニウム蒸着膜を備えたイオンビーム検出器について、イオンの信号を比 較した結果を示し、減光フィルター 2 + 4 + 8 + 2、及びバンドパスフィルターを有し、 かつ発生する磁界の方向が互いに逆方向になるように 2つの 2極電磁石が配置され た場合における信号と飛行時間との関係を示すグラフである。
発明を実施するための最良の形態
[0023] 本発明の一実施形態について図 1ないし図 3 (a) ' (b)に基づいて説明すると以下 の通りである。図 1は、本実施形態のイオン検出器の概略構成を示す模式図である。
[0024] 図 1に示すように、本実施形態のイオンビーム検出器 1は、イオン源 2から発生する イオン 3のエネルギーを、飛行時間法により計測するというものである。
[0025] イオンビーム検出器 1は、イオン 3を飛行させるためのダクト 4と、イオン源 2から生じ たイオン 3に混在する電子を除去する電子除去部 5と、イオン 3に混在する光を遮光 する遮光部 6と、イオン 3を光に変換するとともにイオン 3に混在する X線を透過させる 光変換部 7と、光変換部 7にて変換されたイオン 3由来の光を受光し電気信号として 検出する光検出部 9と、飛行時間計測部 10とを備えている。また、光変換部 7と光検 出部 9との間に、光変換部 7に入射するイオン 3の光軸 (ダクト 4の軸 ΑΑ' )に対し湾 曲するように湾曲部 8が形成されている。
[0026] イオン源 2は、標的物質 11にパルスレーザ光 12を照射することによりイオン 3を発 生させている。イオンビーム検出器 1に適用可能なイオン源 2は、図 1に示された構成 に限定されるものではなぐイオンビームを発生させることが可能なものであればよい 。例えば、イオンビーム検出器 1に適用可能なイオン源 2としては、例えば、レーザー をジェットターゲットに集束させるイオン源、またはレーザーをクラスターターゲットに 集束させるイオン源等が挙げられる。
[0027] ダクト 4は、長さ Lを有している。イオンビーム検出器 1は、イオン 3が長さ Lだけ飛行 した飛行時間 tに基づレ、て、イオン 3のエネルギーを検出する。
[0028] 飛行時間計測部 10は、ダクト 4内を飛行したイオン 3が長さ Lだけ飛行する飛行時 間 tを計測するものである。なお、飛行時間計測部 6による飛行時間の計測は、後述 する光検出部 9にて検出されたイオンの電気信号に基づいて行われる。
[0029] イオンビーム検出器 1では、イオン 3のエネルギーが大きくなるに従い、飛行時間 t が短力べなるようになつている。飛行時間計測部 10は、飛行時間 tを計測することによ り、イオン 3のエネルギーを算出する。
[0030] より具体的には、飛行時間 tは、イオン 3の飛行距離を L (ダクト 4の長さに相当する） として、下記関係式のように表すことができる。
[0031] [数 1] L(mc 2 + T)
c^{mc 2 + T)2 - {mc 2 )2
[0032] ただし、上記関係式において、 mc2は、イオン 3の静止質量 (イオン 3が陽子である場 合には、 mc2 = 938. 2722MeVとなる）を表し、 Tは、イオン 3が持つ運動エネルギ 一 (MeV)を表し、 cは光速 2. 998 X 108 (m/sec)を表す。 [0033] 飛行時間計測部 10にて計測された飛行時間 tを、上記関係式に代入することにより 、イオン 3が持つ運動エネルギー Tを算出することが可能になる。
[0034] このように、イオンビーム検出器 1によるイオン 3のエネルギーの計測は、イオン 3が 長さ Lを飛行する飛行時間 tに基づいて行われる。この飛行時間 tは、イオン 3が光検 出部 9に到達すると瞬時に判るものである。このため、生成されるイオンビームのエネ ルギ一が即座に判り、かつ、レーザー照射を行いながら、リアルタイムでイオンビーム の計測が可能になる。さらには、各種パラメータを変更しながらイオン源 2からイオン 3 を発生させた場合に、パラメータ変更がイオン 3のエネルギーにどのように反映する 力、をオンラインで知ることが可能になる。
[0035] ところで、上述したように、高強度のレーザーを物質に照射し、高エネルギー（100k eVオーダー以上）のイオンビームを生成する環境下では、光、 X線、及び電子がィォ ン 3と混在してしまう。このため、イオン 3のエネルギーを飛行時間法により計測すると 、光（光子）、 X線、または電子の飛行時間とイオン 3の飛行時間とを区別して計測す ることができなくなるおそれがある。すなわち、光検出部 9にて検出される光（光子）、 X線、または電子の信号とイオン 3由来の光の信号との分解能が悪くなり（光（光子）、 X線、または電子の信号のバックグラウンドが大きくなる）、正確なイオン 3の飛行時間 tの計測ができなくなるおそれがある。
[0036] 本実施形態のイオンビーム検出器 1は、光（光子）、 X線、または電子の信号とィォ ン 3の信号との分解能を良好にする（光、 X線、または電子の信号のバックグラウンド を除去する)ものであり、電子除去部 5と、遮光部 6と、光変換部 7と、湾曲部 8と、光検 出部 9とを備えた構成となっている。
[0037] 以下、本実施形態のイオンビーム検出器 1の特徴的構成である、電子除去部 5、遮 光部 6、光変換部 7、湾曲部 8、及び光検出部 9について、図 2及び図 3 (a) · (b)に基 づいて、さらに詳述する。図 2は、電子除去部 5の概略構成を示す模式図である。ま た、図 3 (a)は、上記イオンビーム検出器における、遮光部、光変換部、湾曲部、及び 光検出部の構成を示す側面図であり、図 3 (b)は、遮光部、光変換部、及び湾曲部を 拡大した図である。
[0038] まず、電子除去部 5について説明する。図 2に示すように、電子除去部 5は、 2極電 磁石 (Dipole Magnets)5a ' 5bを備えており、 2極電磁石 5a ' 5bは、ダクト 4の側壁に設 けられている。また、 2極電磁石 5a ' 5bは、ダクト 4の軸 AA'に対し垂直な磁界 Ha ' H bを発生させる。さらに、 2極電磁石 5a ' 5bは、発生する磁界 Ha ' Hbの方向が互いに 逆方向になるように配置されている。
[0039] 磁界 Ha ' Hbの影響により、イオン 3に混在する電子 e—は、ダクト 4の側壁に衝突し、 遮光部 6に到達しなくなる。一方、イオン 3は、磁界 Ha ' Hbの影響により、その軌道が 平行移動する程度であり、遮光部 6に到達するようになっている。このようにイオン 3に 混在する電子 e_がダクト 4内で除去されるので、電子に起因する信号の発生を抑え、 バックグラウンドを低減することができる。その結果、光検出部 9にて検出されるイオン 3に起因する信号に混在する電子に起因する信号の割合を低くすることが可能となる
[0040] また、 2極電磁石 5a ' 5bにより発生する磁界 Ha ' Hbの強度は、電子 e—をダクト 4の 側壁に衝突させる一方、イオン 3がダクト 4の側壁に衝突しなくなるような強度であれ ばよレ、。磁界 Ha ' Hbの強度は、イオン 3の種類、あるいはイオン 3に混在する電子 e_ のエネルギーに応じて適宜設定することができる。例えば、磁界 Ha ' Hbの強度を 30 0Gと設定すると、 2MeV以下の電子はダクト 4の側壁に衝突する。一方、 lOOkeVの イオン（プロトン）は、 2mm程度軌道が平行移動するのみである。
[0041] なお、図 2では、電子除去部の構成は、発生する磁界 Ha ' Hbの方向が互いに逆方 向になるように 2つの 2極電磁石が配置された構成であった。し力 ながら、本発明に おける電子除去部の構成は、イオンに混在する電子を除去することが可能な構成で あれば、特に限定されるものではなレ、。例えば、 3つ以上の 2極電磁石が配置された 構成、または、 1つの 2極電磁石が配置された構成であってもよレ、。さらには、電子除 去部は、磁界を発生させることにより電子を除去する構成に限定されず、電界を発生 させることにより電子を除去するような構成であってもよい。
[0042] 次に、遮光部 6、光変換部 7、湾曲部 8、及び光検出部 9について説明する。図 3 (a ) · (b)に示すように、イオンビーム検出器 1では、光変換部 7にて変換されたイオン 3 由来の光が、光検出部 9にて受光されるようになっている。
[0043] 光変換部 7がイオン 3を受ける面には、遮光部 6が設けられている。この遮光部 6は 、イオン 3に混在する光を遮光する一方、イオン 3を透過させる機能を有するものであ る。遮光部 6がイオン 3に混在する光を遮光することにより、光に起因する信号の発生 を抑え、ノくックグラウンドを低減することができる。その結果、光検出部 9にて検出され る光の信号とイオン 3の信号との分解能が向上する。なお、「遮光する」とは、光の透 過を抑制することを意味する。
[0044] 遮光部 6を構成する部材は、光を遮光する一方、イオン 3を透過する機能を有する ものであれば、特に限定されるものではない。例えば、光をイオン源 2側へ反射させ、 イオン 3を透過させるような反射膜であってもよい。遮光部 6を構成する部材として反 射膜を用いる場合には、反射膜として、質量が軽く（元素周期表において原子番号（ z)が小さい）、酸化しにくい金属膜を用いることが好ましい。元素周期表において原 子番号が小さい金属で形成された金属膜は、イオン 3を通過させやすくなるためであ る。反射膜として特に好適な金属膜としては、例えば、アルミニウム (A1)蒸着膜が挙 げられる。遮光部 6を構成する部材としてアルミニウム蒸着膜を用いる場合、その膜 厚は、イオン源 2にて発生するイオン 3のエネルギーに応じて設定可能である。例え ば、 lOOkeVオーダー以上のイオン 3を検出する場合には、アルミニウム蒸着膜の膜 厚を約 2 μ ΐηとする。アルミニウム蒸着膜の膜厚が約 2 /i mである場合、 220keV以 下のイオン 3が透過せず、アルミニウム蒸着膜内に留まるためである。
[0045] イオンビーム検出器 1では、遮光部 6により光が遮光されたイオン 3は、光変換部 7 に入射する。光変換部 7は、入射してくるイオン 3を光に変換する機能を有し、かつそ の光を透過させるものであれば、特に限定されるものではなレ、。特に、光変換部 7を 構成する部材としては、シンチレ一ターが好ましい。
[0046] シンチレ一ターは、粒子が入射した際に光を発生する物質である。シンチレ一ター に荷電粒子が入射すると、この荷電粒子とシンチレ一ター中の電子との間で、電気 的な引力や反発力が働く。そして、この影響で電子が励起され発光する。
[0047] また、種々のシンチレ一ターの中でも、光変換部 7を構成する部材として、プラスチ ックシンチレ一ターが好ましレ、。プラスチックシンチレ一ターは、応答速度が速いので 飛行時間測定の精度を向上させる利点があるとともに、プラスチックから構成されて いるので、加工しやすぐスペースの問題や環境の要求から所望の形状にすることが できるからである。
[0048] プラスチックシンチレ一ターは、イオン 3に限らず、イオン 3に混在する X線に対して も発光する。それゆえ、光変換部 7としては、イオン 3に混在する X線を透過させるよう な構成が好ましレ、。光変換部 7を構成する部材としてプラスチックシンチレーターを用 いる場合、その膜厚は、 X線に対する感度（発光）、あるいは検出すべきイオン 3のェ ネルギーに応じて適宜設定することができる。具体的には、プラスチックシンチレータ 一の膜厚を 0. 2mmとすると、イオン 3に混在する X線を透過させ、 X線に対する感度 を低減させる一方、 2MeVまでのイオン 3 (プロトン）をプラスチックシンチレーター内 に留まらせることが可能になる。なお、「X線を透過させる」光変換部 7とは、イオンビ ームに混在する X線に対し相互作用を示さず、 X線が透過するような光変換部のこと をいう。それゆえ、光変換部 7は、「イオンビームに混在する X線に対し反応 (感応）し ない光変換部」ともいえる。
[0049] 湾曲部 8は、光変換部 7を通過する X線が光検出部 9に到達するのを防止するため に設けられている。すなわち、イオンビーム検出器 1では、湾曲部 8は、光変換部 7に 入射するイオン 3の光軸 (ダクト 4の軸 ΑΑ' )に対し湾曲するように形成されており、湾 曲部 8では、光変換部 7を透過する X線がそのまま透過する一方、イオン 3が反射さ れ光検出部 9へ到達するようになっている。
[0050] これにより、イオン 3に混在する X線が光検出部 9に到達することが防止され、 X線に 起因する信号の発生を抑え、バックグラウンドを低減することができる。その結果、光 検出部 9にて検出される X線の信号とイオン 3の信号との分解能が向上する。
[0051] なお、湾曲部 8を構成する部材は、光を反射させる一方、 X線を透過させるようなも のであれば、特に限定されるものではない。湾曲部 8を構成する部材としては、例え ばアクリル樹脂 (acrylic plastic)が挙げられる。
[0052] なお、「湾曲する」とは「屈曲する（曲がっている）」ということを意味している。それゆ え、「湾曲部 8」は、「光変換部 7と光検出部 9との間を、光変換部 7に入射するイオン 3の光軸 (ダクト 4の軸 AA' )に対し屈曲するように連結する屈曲連結部」と表現するこ とができる。屈曲連結部（湾曲部 8)は、光変換部 7と光検出部 9との間を、光変換部 7 に入射するイオン 3の光軸に対し屈曲するように連結するので、光変換部 7を透過す る X線は屈曲連結部をそのまま透過する一方、イオン 3は屈曲連結部で反射され光 検出部 9へ到達するようになる。
[0053] この屈曲連結部（湾曲部 8)は、光変換部に入射するイオンビームの光軸に対し 30 ° 〜90° の角度の範囲内で曲げられて（屈曲して)設けられていることが好ましい。 但し、本発明のイオン検出器においては、この屈曲連結部が 2つ設けられていてもよ レ、。例えば、 2つの屈曲連結部が相互に逆方向に屈曲し、光検出部 9が軸 AA'と平 行であるが該軸 AA'から外れて配置された構成が挙げられる。
[0054] さらに、湾曲部 8において、光変換部 7を通過する X線の進行方向に、 X線を吸収 する吸収部材が設けられていてもよい。これにより、より確実にイオン 3に混在する X 線が光検出部 9に到達することを防止することができる。 X線を吸収する部材としては 、例えば鉛ガラスが挙げられる。
[0055] また、図 3 (a)に示すように、湾曲部 8にはフィルター 13が設けられている。フィルタ 一 13は、減光（ND)フィルター、及び/またはバンドパスフィルターで構成されてい る。減光フィルタ一は、例えば光変換部 7にて変換されたイオン 3由来の光が過剰で ある場合に、その光量を低減させるものである。また、バンドパスフィルタ一は、光変 換部 7にて変換されたイオン 3由来の光の波長領域に相当する光のみを通過させる ものである。
[0056] フィルター 13は、後述する光検出部 9のイオン検出感度 (イオン由来の光を検出す る感度）を最適にするために設けられる。それゆえ、フィルター 13の構成は、光検出 部 9のイオン検出感度に応じて適宜設定可能である。例えば、光検出部 9のイオン検 出感度が極めて低ぐイオン 3の信号が微弱である場合には、フィルター 13が設けら れていなくてもよレ、。また、フィルター 13を構成する減光フィルター、及び/またはバ ンドパスフィルターの数においては、光検出部 9のイオン検出感度や光変換部 7にお ける光の変換効率に応じて適宜設定可能である。
[0057] 光検出部 9は、光変換部 7にて光に変換されたイオン 3を検出するものである。具体 的には、光検出部 9は、その受光面にて受光されるイオン 3由来の光を電気信号に 変換し出力するものである。
[0058] このような光検出部 9として好適に用いられるものとしては、例えば光電子増倍管 (p hoto multiplier tube,以下、 PMTと記す)が挙げられる。 PMTは、光を受光すると、 その光を内部で光電子に変換し増幅した電気信号に変えて出力する光センサーで ある。 PMTは、非常に感度よぐ光を電気信号に変えて出力するので、イオンビーム 検出器 1のイオン検出感度を高くすることができる。
[0059] また、光検出部 9として PMTを用いる場合には、イオン検出感度が高いことから、必 要に応じて、上述のフィルター 13が設けられていてもよい。
[0060] 以上のように、本実施形態のイオンビーム検出器 1は、イオン 3に混在する電子を除 去する電子除去部 5と、イオン 3に混在する光を遮光する遮光部 6と、光変換部 7に入 射するイオン 3の光軸 (ダクト 4の軸 AA' )に対し湾曲するように形成された湾曲部 8と を備えている。
[0061] それゆえ、イオン 3のエネルギーを飛行時間法により計測した場合に、光（光子）、 X 線、または電子の飛行時間とイオン 3の飛行時間とを区別して計測することができ、 光検出部 9にて検出される光（光子）、 X線、または電子の信号とイオン 3由来の光の 信号との分解能が良好になる（光、 X線、または電子の信号のバックグラウンドを除去 することが可能になる）。
[0062] 本発明は上述した実施形態に限定されるものではなぐ請求項に示した範囲で種 々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段 を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
[0063] 以下、図 1に示されたイオンビーム検出器 1を用いた実施例を示し、本発明の実施 の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、本発明は以下の実施例に限定され るものではなぐ細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。なお 、イオン 3を発生させるイオン源 2において、パルスレーザ光 12を照射する手段として 、 日本原子力研究機構関西研究所の 10TWレーザー CFLITE— 10)を用いた。
[0064] 上記 10TWレーザーのパルスレーザ光 12の条件は以下の通りである。
レーザーエネノレギー： 2Q0mJ
パノレス幅：250fs
コントラスト：〜 ι.οχ ιο4
スホット径： I I μ τ Χ 15 μ τ 繰返し： 10Hz (照射は z)
また、標的物質 11として、膜厚 5 /i mの Ti薄膜を使用した。そして、面間 1090mm の八角形チェンバーにパルスレーザ光 12を導入する。そして、焦点距離 f=646mm の〇APを用いて真空中にて標的物質 11に 45° の入射角でパルスレーザ光 12を照 射した。パルスレーザ光 12の照射時の真空度は 3 X 10_3Pa以下に設定されている 。さらに、標的物質 11はテープ状であり、常に巻き取られながら照射されるようになつ ている。それゆえ、ノ^レスレーザ光 12は、常に標的物質 11の新しい面に照射される
[0065] また、本実施例では、ダクト 4の長さ Lを約 2mとしている。そして、電子除去部 5とし て 2極電磁石を使用している。また、遮光部 6を構成する部材として、アルミニウム蒸 着膜を使用している。光変換部 7を構成する部材としてプラスチックシンチレーターを 用いており、その膜厚を 0. 2mmとしている。湾曲部 8を構成する部材としてアタリノレ 樹脂を用いている。光検出部 9を構成する部材として、 PMT (H7195 :浜松ホトニク ス製)を用いた。
[0066] 〔実施例 1〕
実施例 1では、電子除去部 5としての 2極電磁石の個数によるイオン検出の影響に ついて検討した。具体的には、発生する磁界の方向が互いに逆方向になるように 2 つの 2極電磁石が配置されたイオンビーム検出器、 1つの 2極電磁石を備えたイオン ビーム検出器、及び 2極電磁石を備えていないイオンビーム検出器について、イオン の信号を比較した。その結果を図 4及び図 5に示す。図 4は、減光フィルター 2 + 4を 用いた場合における信号と飛行時間との関係を示すグラフであり、図 5は、減光フィ ルター 2 + 4 + 8を用いた場合における信号と飛行時間との関係を示すグラフである
[0067] なお、図 4に示されるグラフにおいて、 50ns近傍の負の信号のピークに対応する時 間力 イオンに混在する光、電子、または X線の飛行時間となる。また、 200ns近傍 の負の信号のピークに対応する時間がイオンの飛行時間となる。すなわち、図 4にお いては、イオンに混在する光、電子、または X線の飛行時間が約 50ns、イオンの飛 行時間が約 200nsとなっている。そして、イオンのエネルギーは、イオンの飛行時間 とイオンに混在する光、電子、または X線の飛行時間との差（図 4では、 Aとして示して いる）に基づいて換算される。また、図 4に示されるグラフにおいて、イオンの個数の 概数は、負の信号のピークの高さ（図 4では、 Bとして示している）に基づいて、推定さ れる。
[0068] 図 4及び図 5に示すように、 2極電磁石を備えていなレ、イオンビーム検出器では、 5 Ons近傍における信号の落ち込みが大きぐ光、電子、または X線の飛行時間を正確 に検出することができなくなつていた。これは、イオンに混在する電子が除去されずに 、電子に起因する信号が強くなつているためであると考えられる。すなわち、 2極電磁 石を備えていなレ、イオンビーム検出器では、光（光子）、 X線、または電子の飛行時 間とイオン 3の飛行時間とを区別して計測することができなくなり、光検出部にて検出 される光（光子）、 X線、または電子の信号とイオン由来の光の信号との分解能が悪く なっていた。
[0069] 一方、発生する磁界の方向が互いに逆方向になるように 2つの 2極電磁石が配置さ れたイオンビーム検出器、及び 1つの 2極電磁石を備えたイオンビーム検出器では、 光（光子）、 X線、または電子の飛行時間とイオン 3の飛行時間とを区別して計測する ことができた。
[0070] したがって、実施例 1から、 2極電磁石の個数によって、除去される電子の影響が異 なることが分かる。
[0071] 〔実施例 2〕
実施例 2では、減光フィルター及びバンドパスフィルター（フィルター 13)によるィォ ン検出の影響について検討した。具体的には、バンドパスフィルターを備えたイオン ビーム検出器、及びバンドパスフィルターを備えていなレ、イオンビーム検出器につい て、イオンの信号を比較した。その結果を図 6及び図 7に示す。図 6は、減光フィルタ 一 2 + 4を用レ、、かつ発生する磁界の方向が互いに逆方向になるように 2つの 2極電 磁石が配置された場合における信号と飛行時間との関係を示すグラフであり、図 7は 、減光フィルター 2 + 4 + 8を用レ、、かつ 2極電磁石を備えていない場合における信号 と飛行時間との関係を示すグラフである。
[0072] 図 6及び図 7に示すように、減光フィルタ一は、その減光具合により信号強度が異な つていることがわかる。それゆえ、フィルター 13は、バンドパスフィルターの有無で異 なるが、主に減光する働きを有することがわかる。
[0073] 〔実施例 3〕
実施例 3では、遮光部 6としてのアルミニウム蒸着膜によるイオン検出の影響につい て検討した。具体的には、膜厚 0. 8 x mのアルミニウム蒸着膜を備えたイオンビーム 検出器、アルミニウム蒸着膜を備えていなレ、イオンビーム検出器について、イオンの 信号を比較した。その結果を図 8に示す。図 8は、減光フィルター 2 + 4 + 8 + 2、及び バンドパスフィルターを有し、かつ発生する磁界の方向が互いに逆方向になるように 2つの 2極電磁石が配置された場合における信号と飛行時間との関係を示すグラフ である。また、図 9は、膜厚 0. 8 x mのアルミニウム蒸着膜を備えたイオンビーム検出 器、及び膜厚 5 z mのアルミニウム蒸着膜を備えたイオンビーム検出器について、ィ オンの信号を比較した結果を示す。
[0074] 図 8に示すように、アルミニウム蒸着膜を備えていないイオンビーム検出器では、信 号の様子が異なっており、光、電子、または X線の飛行時間とイオンの飛行時間とを 区別することが不可能になっていた。
[0075] 実施例 3では、フィルター 13としての減光フィルター 2 + 4 + 8 + 2、及びバンドパス フィルターを有し、かつ発生する磁界の方向が互いに逆方向になるように 2つの 2極 電磁石が配置された構成で、イオン検出を行っている。すなわち、イオンに混在する 電子、 X線を除去することが可能な構成である。それゆえ、アルミニウム蒸着膜を備え ていないイオンビーム検出器に見られた、信号の乱れは、イオンに混在する光が遮 光されずに、光に起因する信号が強くなつているためであると考えられる。
[0076] 一方、膜厚 0. 8 a mのアルミニウム蒸着膜を備えたイオンビーム検出器では、光（ 光子）、 X線、または電子の飛行時間とイオンの飛行時間とを区別して計測することが できた。
[0077] また、アルミニウム蒸着膜を備えた、実施例 1または実施例 2のイオン検出器では、 アルミニウム蒸着膜を備えていなレ、イオンビーム検出器に見られた、信号の乱れは 見られなかった（図 4〜図 7)。それゆえ、本発明のイオン検出器によるイオン検出に おいて、イオンに混在する光による影響が最も大きいことがわかる。すなわち、イオン に混在する光が遮光されていないと、イオンの飛行時間を正確に測定することができ なくなるといえる。したがって、本発明のイオン検出器においては、イオンに混在する 光を遮光するアルミニウム蒸着膜 (遮光部）が必須の構成となっている。
[0078] 以上、実施例 1〜3をまとめると、以下のようになる。
(1)プラスチックシンチレーターを用いた ToF計測によって、プロトンの測定を行うこと に成功した。
(2) JUTE-10を用いたイオン発生実験を行レ、、レーザーパラメータの最適化におい て、飛行時間法によるイオンの計測は、従来の CR39を用いたイオンの最適化と比較 して、短時間に非常に多くのパラメータを最適化することができた。
(3)照射条件を同じにしても、ショットごとのばらつきはかなりある。レーザー強度のバ ラつきから考えても大きい。標的物質の条件、又はプリパルス強度が大きく関係して レ、る可能性があると考えられる。
(4)飛行時間法により得られたプロトンの最大エネルギー (平均)は、 Thomson Parabol aの結果と一致している。
[0079] 本発明に係るイオンビーム検出器は、以上のように、上記イオンビームに混在する X線を透過させ、かつ上記イオンビームを光に変換する光変換部と、上記光変換部 にて変換されたイオンビーム由来の光を電気信号として検出する光検出部とを有し、 上記光変換部がイオンビームを受ける側に、上記イオンビームに混在する電子を除 去する電子除去部と、上記イオンビームに混在する光を遮光する遮光部とを備えると ともに、上記光変換部と上記光検出部との間に、光変換部に入射するイオンビーム の光軸に対し湾曲した湾曲部が形成されている構成である。なお、上記「湾曲部」は 、「上記光変換部と上記光検出部との間を、光変換部に入射するイオンビームの光 軸に対し屈曲するように連結する屈曲連結部」と表現することができる。
[0080] 上記湾曲部（屈曲連結部）は、光変換部に入射するイオンビームの光軸に対し 30 。 〜90° の角度の範囲内で曲げられて設けられていることが好ましい。
[0081] このイオンビーム検出器にぉレ、て、イオンビームのエネルギーの計測は、飛行時間 計測部にて計測されたイオンビームの飛行時間に基づレ、て行われる。この飛行時間 は瞬時に判るものである。このため、生成されるイオンビームのエネルギーが即座に 判り、かつ、レーザー照射を行いながら、リアルタイムでイオンビームの計測が可能に なる。
[0082] 高強度のレーザーを物質に照射し、高工ネルギー（lOOkeVオーダー以上）のィォ ンビームを生成する環境下では、光、 X線、及び電子がイオンビームと混在してしまう
[0083] 上記光変換部がイオンビームを受光する側に、上記イオンビームに混在する電子 を除去する電子除去部と、上記イオンビームに混在する光を遮光する遮光部とを備 えるので、イオン源にて発生するイオンビームが光変換部に到達するまでに、イオン ビームに混在する電子を除去するとともに、イオンビームに混在する光を抑制するこ とができる。その結果、光、電子に起因する信号の発生を抑え、バックグラウンドを低 減すること力 Sできる。その結果、光検出部にて検出される光、電子の信号とイオンビ ームの信号との分解能が向上する。
[0084] さらに、上記光変換部は、イオンビームに混在する X線を透過させるとともに、上記 光変換部と上記光検出部との間に、光変換部に入射するイオンビームの光軸に対し 湾曲した湾曲部が形成されているので、 X線が光検出部に到達することが防止され、 X線に起因する信号の発生を抑え、ノくックグラウンドを低減することができる。その結 果、光検出部にて検出される X線の信号とイオンビームの信号との分解能が向上す る。
[0085] 以上のように、上記の構成によれば、生成されるイオンビームのエネルギーが即座 に判り、かつ、レーザー照射を行いながら、リアルタイムでイオンビームの計測が可能 なイオンビーム検出器を実現することができる。
[0086] 本発明に係るイオンビーム検出器では、上記電子除去部は、 2極電磁石を備え、 2 極電磁石は、発生する磁界の方向が上記イオンビームの光軸と垂直になるように配 置されていることが好ましい。
[0087] 上記の構成によれば、 2極電磁石により発生する磁界の方向は、イオンビームの光 軸と垂直になっているので、イオンビームに混在する電子の軌道は、イオンビームの 軌道からはずれる。その結果、上記の構成によれば、イオンビームに混在する電子 は、光変換部に到達しなくなる。それゆえ、イオン源にて発生するイオンビームが光 変換部に到達するまでに、イオンビームに混在する電子が除去され、電子に起因す る信号の発生を抑え、バックグラウンドを低減することができる。
[0088] 本発明に係るイオンビーム検出器では、上記遮光部は、上記イオンビームに混在 する光をイオン源側へ反射させるとともに、イオンビームを透過させる金属膜であるこ とが好ましい。
[0089] 金属膜力 Wオンビームに混在する光をイオン源側へ反射させているので、確実にィ オンビームに混在する光を遮光することができる。
[0090] 本発明に係るイオンビーム検出器では、上記光変換部がプラスチックシンチレータ 一であることが好ましい。
[0091] プラスチックシンチレ一ターは、応答速度が速いので飛行時間測定の精度を向上 させる利点があるとともに、プラスチックから構成されているので、加工しやすぐスぺ ースの問題や環境の要求から所望の形状にすることができるという利点がある。
[0092] 本発明に係るイオンビーム検出器では、上記湾曲部には、上記光変換部にて変換 されたイオンビーム由来の光を減光させる減光フィルターが設けられていることが好 ましい。
[0093] 本発明に係るイオンビーム検出器では、上記湾曲部には、上記光変換部にて変換 されたイオンビーム由来の光を選択的に透過させる選択フィルターが設けられている ことが好ましい。
[0094] これにより、例えば光検出部のイオンビーム検出感度が高い場合に、上記光変換 部にて変換されたイオンビーム由来の光を減光させる、あるいは選択的に透過させる ことで、イオンビームの検出感度を最適なものにすることが可能になる。
[0095] 尚、発明を実施するための最良の形態の項においてなした具体的な実施態様また は実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような 具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなぐ本発明の精神と次に記 載する特許請求の範囲内で、いろいろと変更して実施することができるものである。 産業上の利用の可能性
[0096] 本発明のイオンビーム検出器は、以上のように、光検出部にて検出される光（光子） 、 X線、または電子の信号とイオン由来の光の信号との分解能が良好になるので、ィ オンビームを生成する分野などに適用できる。

Claims

請求の範囲
[1] イオン源から発生するイオンビームを検出するイオンビーム検出器であって、
上記イオンビームに混在する X線を透過させ、かつ上記イオンビームを光に変換す る光変換部と、
上記光変換部にて変換されたイオンビーム由来の光を電気信号として検出する光 検出部と、
上記イオンビームが上記光変換部に到達するまでの飛行時間を計測する飛行時 間計測部とを有し、
上記光変換部がイオンビームを受ける側に、上記イオンビームに混在する電子を 除去する電子除去部と、上記イオンビームに混在する光を遮光する遮光部とを備え るとともに、
上記光変換部と上記光検出部との間に、光変換部に入射するイオンビームの光軸 に対し湾曲した湾曲部が形成されていることを特徴とするイオンビーム検出器。
[2] 上記湾曲部は、光変換部に入射するイオンビームの光軸に対し 30° 〜90° の角 度の範囲内で曲げられて設けられていることを特徴とする請求の範囲 1に記載のィォ ンビーム検出器。
[3] 上記電子除去部は、 2極電磁石を備え、
2極電磁石は、発生する磁界の方向が上記イオンビームの光軸と垂直になるように 配置されていることを特徴とする請求の範囲 1または 2に記載のイオンビーム検出器。
[4] 上記遮光部は、上記イオンビームに混在する光をイオン源側へ反射させるとともに
、イオンビームを透過させる金属膜であることを特徴とする請求の範囲 1〜3の何れか
1項に記載のイオンビーム検出器。
[5] 上記光変換部がプラスチックシンチレ一ターであることを特徴とする請求の範囲 1〜
4の何れか 1項に記載のイオンビーム検出器。
[6] 上記湾曲部には、上記光変換部にて変換されたイオンビーム由来の光を減光させ る減光フィルターが設けられていることを特徴とする請求の範囲 1〜5の何れか 1項に 記載のイオンビーム検出器。
[7] 上記湾曲部には、上記光変換部にて変換されたイオンビーム由来の光を選択的に 透過させる選択フィルターが設けられていることを特徴とする請求の範囲 1〜6の何 れか 1項に記載のイオンビーム検出器。
イオン源から発生するイオンビームを検出するイオンビーム検出器であって、 上記イオンビームに混在する X線を透過させ、かつ上記イオンビームを光に変換す る光変換部と、
上記光変換部にて変換されたイオンビーム由来の光を電気信号として検出する光 検出部と、
上記イオンビームが上記光変換部に到達するまでの飛行時間を計測する飛行時 間計測部とを有し、
上記光変換部がイオンビームを受ける側に、上記イオンビームに混在する電子を 除去する電子除去部と、上記イオンビームに混在する光を遮光する遮光部とを備え るとともに、
上記光変換部と上記光検出部との間を、光変換部に入射するイオンビームの光軸 に対し屈曲するように連結する屈曲連結部が設けられてレ、ることを特徴とするイオン ビーム検出器。
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