WO2018173812A1 - イオンビーム機能性透過膜、イオンビーム機能性透過膜を用いたビームライン機器、イオンビーム機能性透過膜を用いたフィルター機器、フィルター機器の調整方法 - Google Patents

イオンビーム機能性透過膜、イオンビーム機能性透過膜を用いたビームライン機器、イオンビーム機能性透過膜を用いたフィルター機器、フィルター機器の調整方法 Download PDF

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permeable membrane
thin film
crystal
filter device
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奈津子 藤田
章浩 松原
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国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
株式会社ペスコ
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Definitions

  • the present invention relates to an ion beam functional permeable membrane with improved transmittance for transmitting an ion beam, a beam line device using such an ion beam functional permeable membrane, and a method for adjusting the ion beam functional permeable membrane.
  • FMIT Fluorescence Microwave Transmission
  • FMIT field-patent Metal-to-Memiconductor
  • tandem accelerator charge strippers that function charge conversion
  • post strippers that function to increase the number of charges on the beam line
  • graders that function energy attenuation.
  • the charge stripper and post stripper may be simply referred to as a stripper.
  • a second stripper the term is not used because it is used as the above-described charge stripper thin film or a post stripper thin film (Non-patent Documents 1 and 2).
  • the functions of the charge stripper and post stripper utilize the phenomenon of ion electron desorption when ions pass through the thin film.
  • ions pass through the thin film collisions between the ions and electrons or nuclei in the solid occur.
  • Incident ions reach a charge distribution (that is, an equilibrium charge distribution) determined by incident energy while repeating electron desorption and electron capture, excitation and deexcitation. Since the equilibrium charge at this time is usually higher than the charge of the incident ion, the charge of the passing ion is higher than the charge of the incident ion on average (Non-Patent Document 3).
  • the charged stripper has the function of converting negative ions incident on the accelerator into positive ions and emitting them.
  • Charge strippers are typically used in tandem accelerators.
  • the tandem accelerator is provided with a portion called a terminal at the center of the entrance and exit, and the entrance and exit are connected by an acceleration tube.
  • Non-Patent Document 1 By applying positive charge to the terminal from the outside, the potential of the terminal becomes the highest, and a mountain-shaped potential distribution is formed such that the potential gradually decreases toward the entrance / exit.
  • the incident negative ions are accelerated toward the positive potential terminal, and the electrons are stripped off to become positive ions in the charge stripper at the terminal portion.
  • the positive ions receive an electric repulsion with the positive potential terminal and are accelerated again toward the exit port.
  • the charge stripper plays an essential role in the mechanism of the tandem accelerator (Non-Patent Document 1).
  • the charged stripper also functions as a filter for molecules that interfere with analysis in accelerator mass spectrometry (hereinafter referred to as “AMS”). Specifically, in AMS, a molecule having almost the same mass as the target nuclide (hereinafter referred to as “interfering molecule”) interferes with the detection of the target nuclide, but the charged stripper functions to dissociate the interfering molecule. (Non-Patent Documents 2 and 5).
  • the post stripper usually has a function of increasing the number of ions charged for the purpose of academic experimentation with respect to ions accelerated by a tandem accelerator or the like.
  • a typical example is an experiment necessary for the construction of a physical database useful for heavy ion irradiation medical treatments, that is, in the interaction between ions and solids, to adjust the number of charged ions incident on the solid (non- Patent Document 4).
  • the degrader has a function of attenuating the energy of ions according to the purpose for ions accelerated by a tandem accelerator or the like.
  • a tandem accelerator or the like typically, in the separation of the target nuclide and the interfering nuclide by AMS, both are incident on the thin film, and a difference is made between the energies of the two due to the difference in stopping power.
  • the accelerator mass spectrometry when a stable isobars or the like having a mass equal to the desired nuclide is present, for example, 10 B, 36 53 Cr or the like for 36 S, 53 Mn for Cl relative to 10 Be, these isobaric such purposes It becomes a nuclide that interferes with the measurement of nuclide (hereinafter referred to as “interfering nuclide”), and the separation of these interfering nuclides is the main technology (Non-patent Documents 2 and 5).
  • the degrader is generally installed in front of or near the detector (for example, an ionization chamber) on the beam line.
  • a detector window having a function of a degrader is referred to as a degrader window.
  • ions are emitted from a beam emittance (standard deviation ⁇ of the spatial spread of the beam and standard deviation ⁇ ′ of the angular spread), which is an index of beam quality due to multiple scattering with the nuclei in the thin film.
  • ⁇ ′ standard deviation of the spatial spread of the beam
  • ⁇ ′ standard deviation of the angular spread
  • Non-Patent Document 1 Conventionally, in the technical development for downsizing the AMS apparatus, it has been unavoidable that a gas is used for a charge stripper which also functions as an interfering molecule removal as the ion energy decreases. This is because when the ion energy is smaller than 1 MeV, scattering (especially elastic scattering with atoms) in the transmission film becomes significant, and both emittance and transmittance are greatly deteriorated.
  • the main problem that limits the miniaturization of the AMS apparatus is that it is difficult to achieve both the function maintenance of the charge stripper using gas and the high vacuum of the beam line.
  • Increasing the amount of gas to the stripper to maintain the function of the gas charged stripper increases the gas leakage to the beam line, and the ions collide and scatter to the leaked gas molecules, and there is a probability that the trajectory shifts. Get higher.
  • the ion beam functional permeable membrane according to the present invention is used in a beam line device through which an ion beam traveling in one direction passes and has an ion beam functional permeable membrane having a channel.
  • the channel axis is substantially parallel to the traveling direction of the ion beam.
  • the ion beam functional permeable membrane according to the present invention is characterized in that the ion beam functional permeable membrane is a crystal.
  • the ion beam functional permeable membrane according to the present invention is characterized in that the ion beam functional permeable membrane is a porous material in which a cavity is formed.
  • the beam line device includes a vacuum vessel through which an ion beam passes, an ion beam functional permeable membrane having a channel and disposed in the vacuum vessel, and the ion beam functional permeable membrane. And a positioning stage that adjusts the attitude of the ion beam functional permeable membrane, so that the ion beam functional permeable membrane is arranged in the beam line of the ion beam by the positioning stage, and The channel axis of the ion beam functional permeable membrane is adjusted so as to be substantially parallel to the traveling direction of the ion beam.
  • the ion beam functional transmission film is a crystal
  • the positioning stage is adjusted so that a crystal axis of the crystal is substantially parallel to a traveling direction of the ion beam.
  • the channel axis is substantially parallel to the traveling direction of the ion beam.
  • the beam line device according to the present invention is characterized in that the crystal is a single crystal.
  • the beam line device according to the present invention is characterized in that the ion beam functional permeable membrane is a thin film made of a porous material in which a cavity is formed.
  • the beam line device according to the present invention is characterized in that the beam line device is an accelerator.
  • the beamline device according to the present invention is characterized in that the beamline device is a stripper.
  • the beamline device according to the present invention is characterized in that the beamline device is a degrader.
  • the beamline device according to the present invention is characterized in that the beamline device is an ionization chamber.
  • the filter device is a filter device that removes unnecessary molecules contained in an ion beam traveling in a vacuum vessel, and has a channel and has an ion beam functional transmission disposed in the vacuum vessel. And a positioning stage to which the ion beam functional permeable membrane is attached and adjusts the posture of the ion beam functional permeable membrane, and the ion beam function is included in the beam line of the ion beam by the positioning stage.
  • the ion permeable membrane is disposed, and the channel axis of the ion beam functional permeable membrane is adjusted to be substantially parallel to the traveling direction of the ion beam.
  • the ion beam functional permeable membrane is a crystal
  • the positioning stage is adjusted so that a crystal axis of the crystal is substantially parallel to a traveling direction of the ion beam.
  • the channel axis is substantially parallel to the traveling direction of the ion beam.
  • the filter device according to the present invention is characterized in that the crystal is a single crystal.
  • the filter device according to the present invention is characterized in that the ion beam functional permeable membrane is a thin film made of a porous material in which a cavity is formed.
  • the filter device adjustment method includes a vacuum vessel through which an ion beam passes, An ion beam functional permeable membrane having a channel and disposed in the vacuum vessel; a positioning stage to which the ion beam functional permeable membrane is attached and adjusting an attitude of the ion beam functional permeable membrane; and the positioning A method for adjusting a filter device, comprising: a Faraday cup that is arranged downstream of a stage and supplements an ion beam; and a current measurement unit that measures a current based on the ion beam supplemented by the Faraday cup, wherein the positioning is performed Adjusting the posture of the positioning stage so that the ion beam functional permeable membrane is arranged in a beam line by a stage and the current measured by the current measuring unit is maximized.
  • the filter device adjustment method includes a vacuum vessel through which an ion beam passes, an ion beam functional permeable membrane having a channel and disposed in the vacuum vessel, and the ion beam functionality.
  • a current measuring unit for measuring a current based on the filter device, wherein the ion beam passes through a position of the positioning stage where the ion beam functional permeable membrane is not disposed.
  • the ion beam functional permeable membrane is arranged in the beam line by the positioning stage, and the current of the positioning stage is maximized so that the current measured by the current measuring unit is maximized.
  • a second step of adjusting the posture is a second step of adjusting the posture.
  • the filter device adjustment method according to the present invention is characterized by having a third step of removing the Faraday cup from the beam line after the second step.
  • the present invention occurs when a thin film such as a crystal is used as an FMIT (ion beam functional transmission film) and ions are transmitted through a thin film such as a crystal having an appropriate thickness at an appropriate incident angle.
  • FMIT ion beam functional transmission film
  • This is a method that uses the phenomenon of “Ion Channeling Transmission (ICT)” to remarkably suppress the decrease in ion transmittance and the increase in emittance due to large angle scattering while maintaining the function of a stripper and degrader.
  • ICT Ion Channeling Transmission
  • Conventionally used permeable membranes are amorphous thin films, and ICT does not occur.
  • IRT ion random transmission
  • the beam line device using the ion beam functional permeable membrane according to the present invention, the filter device using the ion beam functional permeable membrane, and the adjustment method of the filter device are such that the crystal plane of the crystal of the ion beam functional permeable membrane is an ion beam. Therefore, the transmittance of the ion beam can be increased, and the emittance can be improved.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example in which an ion beam functional permeable membrane according to an embodiment of the present invention is applied to a tandem accelerator 10.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example in which an ion beam functional permeable membrane according to an embodiment of the present invention is applied to a post stripper 30.
  • FIG. It is a figure which shows the example which applied the ion beam functional permeable film which concerns on embodiment of this invention to the degrader 50.
  • FIG. It is a figure which shows the example which applied the ion beam functional permeable film which concerns on embodiment of this invention to the ionization chamber.
  • It is a figure which shows the Example of the ICT state of the ion beam functional permeable film which concerns on embodiment of this invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing a device configuration example to which an ion beam functional permeable membrane according to an embodiment of the present invention is applied.
  • an ion beam traveling in one direction passes through the beam line.
  • a thin film such as a crystal is used as the ion beam functional transmission film according to the present invention.
  • the z direction is the direction in which the ion beam passing through the inside of the device travels.
  • the y direction is vertically upward, and the x direction is defined as a direction orthogonal to both the y direction and the z direction.
  • a system in which a plurality of ion beam functional permeable membranes according to the present invention are mounted is referred to as a multi-thin film system 210, and a system in which one ion beam functional permeable membrane according to the present invention is mounted is referred to as a single thin film system 320. Called.
  • FIG. 1 shows a case where an ion beam functional permeable membrane according to the present invention is applied to a charge stripper 11 of a tandem accelerator 10, and more specifically, a schematic diagram of a main part of the tandem accelerator 10 shown in FIG. It is.
  • Negative ions generated by an ion source are guided to the tandem accelerator 10 and accelerated toward the terminal 5 as shown in FIG.
  • the terminal 5 is provided with a multi-thin film system 210 on which a plurality of ion beam functional permeable membranes according to the present invention are mounted.
  • the function of the stripper is maintained by making the ICT (ICT: Ion Channeling Transmission) transmission state incident on the ion beam functional permeable membrane of the multi-thin film system 210 (Fig. 3) installed in the terminal 5.
  • ICT ICT: Ion Channeling Transmission
  • the ion transmittance and emittance are improved by suppressing large-angle scattering.
  • the ions accelerated by the accelerator are guided to the post stripper section, and the multi-thin film system 210 (FIG. 3) installed here.
  • the ion transmittance and emittance are improved by suppressing the large-angle scattering while maintaining the function of the stripper by making the ICT state incident on the ion beam functional permeable film.
  • the ion beam functional permeable membrane according to the present invention When the ion beam functional permeable membrane according to the present invention is applied to the degrader 50, a multi-thin film system in which ions that have been subjected to valence selection by an analysis electromagnet are guided to the degrader as shown in FIG. By making it enter the ion beam functional permeable membrane 210 (FIG. 3) and creating the ICT state, the efficiency of the interference nuclide classification in AMS is remarkably improved while maintaining the function of the degrader.
  • the ion beam functional permeable membrane according to the present invention When the ion beam functional permeable membrane according to the present invention is applied to, for example, a degrader window, the ion beam is guided to an incident window of an ionization chamber 70 corresponding to a terminal portion of the accelerator device as shown in FIG.
  • the ion transmittance and emittance of the degrader window are improved while maintaining the function of the degrader.
  • an ICT state is created according to the standard of the thickness of the crystal thin film determined in accordance with the energy of ions incident on the crystal thin film shown in Table 1, and the ion beam functional transmission film according to the present invention It keeps the function of.
  • Table 1 is a numerical table showing the energy range of ions that can be used in the present invention and the standard for the thickness of the crystal thin film corresponding thereto.
  • FIG. 2 schematically shows ions traveling through the crystal.
  • the atoms in the crystal are regularly arranged in a row, but when viewed from the direction along this atomic row (hereinafter referred to as the crystal axis direction), a large space where no atoms exist between the atomic rows (hereinafter referred to as the crystal axis direction) , Called the channel).
  • channeling along the crystal axis is called axis channeling, and channeling along the crystal plane is called surface channeling.
  • Axis channeling is easier to obtain channeling effects.
  • the ICT state refers to a state in which ions pass through a thin film such as a crystal by axial channeling unless otherwise noted, but the present invention can also be realized by surface channeling.
  • the present invention is characterized in that the channeling phenomenon as described above is expressed in a thin film such as a crystal colliding with an ion beam in a beam line device of an ion beam apparatus, and the ion beam functional transmission film according to the present invention is obtained. Is a point.
  • the ion beam functional permeable membrane according to the present invention is an ion beam functional permeable membrane made of a crystal, which is used in a beam line device through which an ion beam traveling in one direction passes, The surface is parallel to the traveling direction of the ion beam. Furthermore, if the crystal axis of the crystal is parallel to the traveling direction of the ion beam, axial channeling can be expressed and the effect is higher.
  • the thickness of a thin film such as a crystal is appropriate, even if the ICT state is created, it is possible to provide a function as an ion beam functional transmission film such as the charge stripper 11, the post stripper 30, and the degrader 50. it can.
  • ions travel through the channel while repeating approaching and leaving the crystal atomic row (small angle scattering).
  • the electrons bound to the ions collide with crystal atoms, and elementary processes such as electron loss / capture, ion excitation / deexcitation, and the like occur. If the thickness of the crystal thin film satisfies the criteria shown in Table 1, even if it is in the ICT state, the above-described elementary processes are repeated, and the function of the ion beam functional permeable membrane can be provided.
  • the thin film such as a crystal that can be used as the ion beam functional transmission film according to the present invention can be composed of any element.
  • a polycrystalline film such as SiC can be used as the crystal thin film, but the single crystal thin film is advantageous in creating an ICT state because of a large channel width.
  • a single crystal thin film of silicon (silicon Si) is not only commercially available and easy to obtain, but is also desirable as a crystal thin film for creating an ICT state because of relatively high crystal spacing.
  • a Si single crystal thin film has the most versatility.
  • the nuclide of ions that can be incident on a thin film such as a crystal used as the ion beam functional transmission film according to the present invention can be arbitrarily selected.
  • the standard of the thickness of the crystalline thin film for maintaining the function of the ion beam functional permeable membrane according to the present invention [see Table 1] is determined by the following concept and method.
  • the lower limit of the thickness is basically a thickness at which the charge distribution of incident ions can maintain an equilibrium state.
  • the valence of incident ions is divided into a plurality of valences to form a charge distribution.
  • the charge distribution becomes constant regardless of the thickness.
  • the thickness that reaches this equilibrium state can be estimated by the numerical calculation code (ETACHA code etc.) used in Non-Patent Document 4.
  • ETACHA code etc. the numerical calculation code used in Non-Patent Document 4.
  • the lower limit of the thickness is several tens of nm. If this thickness is further reduced, a non-equilibrium state is obtained, and the average charge strongly depends on the thickness, and the influence of coherent resonance excitation in Patent Document 1 becomes stronger, so that the prediction of the charge distribution becomes complicated, and the ion beam according to the present invention. It cannot be expected to function as a functional permeable membrane.
  • the upper limit of the thickness is a thickness at which the energy that incident ions lose while passing through the transmission thin film can be kept sufficiently small so as not to cause a problem for the purpose of using the ion beam.
  • the ion during channeling repeats elementary processes such as electron loss / capture, excitation / de-excitation, etc. along with small-angle scattering, and gradually loses energy.
  • the frequency of these elementary processes increases with increasing thickness and not only reduces energy, but also increases energy variability (increased energy struggling).
  • the thickness exceeds the upper limit and the decrease and variation in energy become too large to meet the purpose, it can no longer be said that the function of the ion beam functional permeable membrane according to the present invention is maintained.
  • the decrease and dispersion of energy with respect to the thickness can be estimated with a numerical calculation code (SRIM / TRIM, etc.).
  • the upper limit of thickness can be obtained from the numerical calculation code.
  • Table 1 shows the energy region of ions incident on the ion beam functional permeable membrane defined in the present invention, and the upper and lower limits of the thickness corresponding thereto.
  • the thickness corresponding to the energy loss passing through the ion beam functional permeable membrane reaching 10% of the incident energy is calculated by a numerical calculation code (SRIM / TRIM).
  • the incident angle of ions with respect to the crystal axis must be smaller than an angle called a channeling critical angle.
  • the critical angle ⁇ c character can be approximately expressed by the following equation (1).
  • Z 1 and Z 2 are the atomic numbers of the incident and transmissive thin films
  • e is the elementary charge
  • E is the energy of the incident ions
  • d is the atomic spacing of the atomic sequence.
  • the critical angle is given by the element and energy of incident ions and the element of the transmission thin film (Non-patent Document 2).
  • a thin film system that supports a thin film such as a crystal shown in FIGS.
  • the angles ⁇ and ⁇ and the positions x and y of the thin film are adjusted precisely.
  • a disk supporting a thin film such as a crystal can be freely moved in a vacuum for the purpose of use.
  • a structure having a plurality of thin films such as crystals as reserves and a function that can be exchanged on the spot it is preferable to provide a structure having a plurality of thin films such as crystals as reserves and a function that can be exchanged on the spot.
  • a plurality of thin film assemblies 213 (consisting of a thin film 212 and a frame 211) are mounted on a revolver-type multi thin film holder 214 and incorporated into a beam line, and a thin film such as a crystal deteriorates due to long-time beam transmission.
  • the multi-thin film holder 214 is sequentially rotated in the clockwise direction in the figure to use an unused crystal thin film.
  • the multi-thin film positioning stage 215 has a base portion 230.
  • the first shaft 231 is rotatable with respect to the base portion 230.
  • a frame body 235 is attached to the first shaft 231.
  • the frame body 235 can also rotate in the ⁇ ⁇ direction. It can be done.
  • the second shaft 232 is disposed on the frame body 235 so as to be rotatable with respect to the frame body 235.
  • a multi-thin film holder 214 is attached to the second shaft 232, and the multi-thin film holder 214 can also rotate in the ⁇ ⁇ direction as the second shaft 232 rotates in the ⁇ ⁇ direction.
  • the ICT state is created by adjusting the angle and position of a thin film such as a crystal by using the multi-thin film positioning stage 215 as described above, and becomes the ion beam functional transmission film according to the present invention.
  • a thin film such as a crystal
  • the charge stripper 11 and the post stripper 30 since the ion beam intensity is relatively strong, the deterioration of a thin film such as a crystal is relatively accelerated. Therefore, it is important to have a function to replace the spare thin film on the spot.
  • the charge stripper 11 of the front tandem accelerator 10 is more important because the removal of the thin film system is a manual operation in the accelerator tank and takes time.
  • the grader window 71 in the ionization chamber 70 may also serve as a vacuum flange 12 or the like in which a disk supporting a thin film such as a crystal seals a vacuum as shown in FIG.
  • the single thin film system 320 for the degrader window 71 uses a thin film such as a single crystal.
  • This configuration includes a thin film assembly 213, a single thin film holder 321, and a single thin film positioning stage 322. In many cases, since it is relatively easy to remove the degrader window 71 from the beam line, it is not necessary to provide a function for exchanging a spare thin film on the spot.
  • the single thin film positioning stage 322 has a base 330.
  • the first shaft 331 is rotatable with respect to the base portion 330.
  • a frame body 335 is attached to the first shaft 331. When the first shaft 331 rotates in the ⁇ ⁇ direction with respect to the base portion 330, the frame body 335 can also rotate in the ⁇ ⁇ direction. It can be done.
  • the second shaft 332 is disposed on the frame 335 so as to be rotatable with respect to the frame 335.
  • a single thin film holder 321 is attached to the second shaft 332, and the single thin film holder 321 can also rotate in the ⁇ ⁇ direction as the second shaft 332 rotates in the ⁇ ⁇ direction.
  • the basic equipment configuration as a minimum unit for carrying out the present invention is centered on the thin film system shown in FIGS. 3 and 4, and is composed of a magnetic quadrupole or an electric quadrupole.
  • a beam converging lens (hereinafter simply referred to as a lens) 3 by an electric pole (Electric Quadrupole) is arranged along the beam axis.
  • the incident angle it is necessary to adjust the incident angle to generate the ICT state.
  • the lens placed on the upstream side of the thin film system is for creating a parallel beam.
  • the lens placed on the downstream side is used if the beam needs to converge depending on the purpose of use of the ion beam. This downstream lens is useful for the charge stripper 11, the post stripper 30, and the degrader 50.
  • the necessity for the degrader window 71 of the ionization chamber 70 is low.
  • FIG. 5 shows a case where the present invention is applied to the charge stripper 11 of the tandem accelerator 10.
  • the multi-thin film system 210 is attached to the terminal 5 of the tandem accelerator 10, and the lens 3 is installed at the entrance / exit of the tandem accelerator 10.
  • the thin film system is the multi thin film system 210 shown in FIG. Mass fractionation at the lens does not occur with an electric quadrupole lens, which is particularly advantageous in AMS where multiple isotopes need to be incident on the accelerator almost simultaneously.
  • the entrance lens is adjusted to make a parallel beam, and ions are incident on a thin film such as a crystal to create an ICT state.
  • FIG. 6 shows the case where the present invention is applied to the post stripper 30.
  • the configuration of FIG. 1 is incorporated into the post stripper portion in an almost intact form.
  • the multi-thin film system 210 is used.
  • the electric quadrupole lens may be more advantageous for the lens 3. In any case, since the effect of the lens depends on the number of charged ions, it is necessary to determine in advance for which number of charged ions the ICT state is created.
  • FIG. 7 shows the case where the present invention is applied to the degrader 50.
  • the basic configuration of FIG. 1 is incorporated in the degrader section in substantially the same form. Since the degrader 50 is used for a beam line for rare nuclides of AMS, that is, a beam line in which a plurality of isotopes are not mixed, a magnetic quadrupole lens that is relatively easy to handle can be used. An embodiment in which the degrader in this AMS is used will be described later.
  • FIG. 1 A case where the present invention is applied to the degrader window 71 of the ionization chamber 70 is shown in FIG.
  • the basic configuration includes a single thin film system 320 and a lens 3 on the upstream side of the ion beam. Adjustment of the position and angle of a thin film such as a crystal by the single thin film system 320 is a mechanism that moves together with the ionization chamber 70. Mechanical strain generated between the upstream vacuum vessel and the bellows is absorbed.
  • Example 1 An example of creating an ICT state is shown in FIG. In this example, using the experimental system depicted on the left side of the figure, 7.0 MeV 10 B 2+ was incident on the Si crystal thin film through the pinhole.
  • the yield in the ionization chamber was measured while distributing ions through the crystal thin film with an electrostatic deflector, and the charge distribution was determined therefrom.
  • the thickness of the Si crystal thin film having a thickness of 200 nm satisfies the thickness criteria shown in Table 1, and it is guaranteed to fulfill the function of the ion beam functional transmission film according to the present invention.
  • the average charge obtained from the figure is about 4.0, which is equal to the value obtained from the literature. That is, the charge distribution reaches an equilibrium state, which proves that it has the function of the ion beam functional permeable membrane according to the present invention.
  • nuclides isobaric such stable with mass equal to the AMS in analytical purposes nuclide as the exist, for example, 10 B, 36 53 Cr or the like for 36 S, 53 Mn for Cl relative to 10 Be, these purposes It is a nuclide that interferes with the measurement of nuclides (interfering nuclides), and separation of interfering nuclides is a major technical issue.
  • the degrader 50 is used as one sorting technique as follows. When both the target nuclide and the interfering nuclide are incident on the thin film, the energy of either of them is relatively greatly lost due to the atomic number dependence of the stopping power, and a difference occurs between the energies. Therefore, based on the difference, both are separated by an energy analyzer in the subsequent stage.
  • FIG. 10 shows an example of isobaric separation by the degrader 50 in the ICT state (using an ion beam functional permeable membrane according to the present invention) and the IRT state.
  • the target nuclide is filled with 10 Be and the isobaric is filled with 10 B.
  • the actual incident ion is not 10 Be 2+ but its stable isotope, 9 Be 2+ , and the horizontal axis (electric field) of the obtained 9 Be 2+ charge distribution is multiplied by a coefficient, and 10 Be 2+ Theoretically corrects the charge distribution.
  • the 10 B charge distribution has a counting peak on the side of the electric field lower than the 10 Be charge distribution. This is because 10 B has one larger atomic number than 10 Be, and therefore, the energy loss in the crystal thin film becomes larger at 10 B. That is, the energy of ions incident on the ionization chamber is somewhat lower 10 B compared to 10 Be.
  • the electric field is in the range of 1.0 to 1.5 kV / cm
  • the count of 10 Be exceeds the count of 10 B in both ICT and IRT states. High efficiency.
  • the effect of the degrader 50 is defined as follows. (1) To what extent the B count rate is suppressed relative to the Be count rate.
  • Be / B can be given as an index of the above (1), and the larger Be / B is advantageous.
  • the index of (2) can be given as the Be count itself. Actually, if both (1) and (2) are increased simultaneously, the effect is high. Therefore, Be 2 / B can be set as an index obtained by multiplying both.
  • the bottom of FIG. 10 is a summary of the two states of ICT and IRT for this index. From this figure, it can be seen that the effect of the degrader is about 2.6 times higher in the ICT state than in the IRT state. Incidentally, although the difference between the Be / B itself of the index (1) is not large, the effect of the degrader 50 is increased by the amount that the Be count itself of the index (2) in the ICT state is remarkably large.
  • the transmittance can be improved several times or more while maintaining the function of the ion beam functional permeable membrane according to the present invention, and the degrader in the AMS in which the ion beam functional permeable membrane according to the present invention is used. It was shown that the effect of can be improved several times. This brings about the improvement of the measurement accuracy in AMS besides the miniaturization of the accelerator device and the improvement of the work efficiency of the accelerator device. In particular, when applied to a charge stripper, it is possible to maintain both the charge stripper function and the high vacuum of the beam line even for low energy ions of about 100 keV, which is an index for downsizing the AMS. It leads to dramatic downsizing.
  • the ion beam functional permeable membrane and the ion beam functional permeable membrane adjusting method according to the present invention are used for a beam line device through which an ion beam traveling in one direction passes and is made of an ion beam functional permeable membrane made of crystal.
  • the ion beam functional transmission film according to the present invention can increase the transmittance of the ion beam in various devices. Thus, the emittance can be improved.
  • the ion transmittance and emittance of the ion beam functional permeable membrane according to the present invention are remarkably improved by the ICT state, the following effects (a) to (b) can be obtained.
  • the scattering of ions in the window is greatly suppressed, and the number of ions entering the ion detection area of the ionization chamber increases, so the energy obtained from the ionization chamber The peak profile of the spectrum becomes sharp. This also leads to improvement of the interference nuclide sorting performance.
  • the charge stripper function can be maintained and the beam line height can be increased even for low energy ions of about several tens keV to hundreds keV, which is an index for downsizing the AMS. Compatibility with vacuum maintenance becomes possible.
  • a small AMS system which is a kind of beam line equipment using the ion beam functional permeable membrane according to the present invention.
  • Such a small AMS system measures an isotope ratio in a sample by counting a very small amount of isotopes contained in the sample by an accelerator mass spectrometry (Accelerator-Mass-Spectrometry) method.
  • the ion beam functional permeable membrane is used as a means for removing unnecessary molecules that interfere with mass spectrometry, so that the downsizing of the conventional accelerator is a major feature.
  • the above unnecessary molecule removing means used in the small AMS system according to the present invention is referred to as a filter device.
  • the letter “A” in the alphabet contained in the “small AMS system” is an abbreviation of “Accelerator”, but the “small AMS system” referred to in this specification includes general accelerators and accelerators. Such a configuration is not included.
  • the extraction electrode portion (not shown) of the negative ion source 510 of the “small AMS system” according to the present specification includes a configuration for accelerating ions.
  • the “small AMS system” according to the present specification is a concept included in a beamline device. From the above, the “small AMS system” referred to in the present specification is an instrument capable of performing mass spectrometry without ions being extracted from the negative ion source 510 being accelerated by an accelerator or an accelerator. Can also be defined.
  • the “small size” of the “small AMS system” is derived from the fact that an accelerator and an accelerating device are not necessary as described above, and the equipment configuration can be reduced in size.
  • the small AMS system according to the present invention has an ion energy of about 50 keV with the tandem accelerator removed.
  • gas strippers have been studied for the functions of charge conversion for ion energy of about 50 keV and removal of interfering molecules (unnecessary molecules unnecessary for analysis).
  • the amount of gas for maintaining the function of the gas stripper increases because of the need to increase the probability of stripping electrons from the ions. If so, the gas pressure in the beam line increases and the ion scattering frequency increases, so that the measurement limit deteriorates. That is, for example, using a gas stripper such as that used in a tandem accelerator also in a small AMS system makes it difficult to achieve both maintenance of interference molecule removal and measurement limit.
  • the small AMS system 500 employs a configuration using a filter device 600 that functions as a means for removing interfering molecules (unnecessary molecules) using a solid without using a gas.
  • the filter device 600 functions as a device that strips off electrons of interfering molecules (unnecessary molecules) and promotes dissociation of the molecules.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a schematic configuration of a small AMS system 500 according to the present invention, and is a view of the small AMS system 500 seen from a bird's eye view.
  • the small AMS system 500 mainly includes a negative ion source 510, an incident electromagnet 520, a filter device 600, an analysis electromagnet 560, a stable nuclide detector 565, an energy analyzer 570, in the order in which the ion beam travels.
  • the measurement target nuclide detector 580 is configured.
  • each structure is connected by piping of the vacuum vessel.
  • a gas stripper is placed at the position of the filter device 600 in FIG. 11 (see, for example, US Pat. No. 8791410).
  • the filter device 600 is arranged instead of the gas stripper, and the interfering molecules having almost the same mass as the measurement target nuclide are dissociated by the filter device 600 and prepared for removal. .
  • the filter device 600 is generally composed of a multi-thin film system 610 (or a single thin film system), a Faraday cup 645, and a vacuum container 604 in which these are housed.
  • a crystal used in the thin film system is vulnerable to the ion beam and the exchange frequency is estimated to be high, it is preferable to use the multi thin film system 610 as the thin film system.
  • a crystal used in the thin film system a single crystal, a polycrystalline thin film, or a thin film made of a porous material in which a cavity is formed in a crystalline thin film or an amorphous thin film (in this specification, such a thin film is used). Can be referred to as “porous thin film”).
  • the substance that can be used for the ion beam functional permeable membrane according to the present invention can be said to be a substance having a channel (a channel of ions constituting the beam line).
  • the passage of ions in a substance having a channel can also be referred to as a “channel”.
  • the substance having such a channel is a porous substance in which a cavity is formed in a crystal such as a single crystal or polycrystal, or a crystalline thin film or an amorphous thin film.
  • the axis parallel to the crystal plane in the crystal or the axis parallel to the crystal axis of the crystal can be called a channel axis.
  • the substance having a channel is a porous substance, if the shape of the cavity formed in the porous substance is regarded as a substantially cylindrical shape, it can be said that the axis is parallel to the cylinder axis of the cylinder.
  • the filter device, and the like using the ion beam functional permeable membrane according to the present invention it is adjusted so that the beam line traveling in one direction passes through the channel of the ion beam functional permeable membrane. This is a characteristic point.
  • FIG. 12 is a view for explaining the configuration of the multi-thin film system 610 constituting the filter device 600 according to the embodiment of the present invention, and is a view of the multi-thin film system 610 viewed in the traveling direction of the ion beam.
  • FIG. 13 is a diagram showing a filter device 600 and a filter device control apparatus 650 that controls the filter device 600 according to the embodiment of the present invention. In FIG. 13, the configuration of the filter device 600 schematically shows the A-A 'cross section in FIG.
  • a disc-shaped multi-thin film holder 614 that supports a crystal such as a thin film such as a crystal or a porous material thin film can be moved in a vacuum by a driving force (not shown).
  • the multi-thin film system 610 preferably includes a plurality of crystals as a reserve, and has a function of exchanging crystals through which the beam line passes without opening the vacuum vessel 604.
  • a revolver type multi-thin film holder 614 that rotates around O is mounted with a plurality of thin film assemblies 613 (consisting of a crystal 612 and a frame 611 that is a frame for holding the crystal 612). Include in.
  • the multi-thin film system 610 one of the plurality of crystals 612 of the multi-thin film holder 614 is operated in such a manner that an ion beam is transmitted.
  • the crystal 612 deteriorates due to long-time beam transmission, it passes through O.
  • the multi thin film holder 614 is sequentially rotated about an axis perpendicular to the paper surface as a rotation axis, and then unused crystals are used.
  • the calculation unit 660 in the filter device control device 650 that controls the filter device 600 is written with a CPU that executes the calculation, a RAM that is a rewritable storage means serving as a work area of the CPU, and a basic program. It can be composed of a ROM that is a nonvolatile storage means, a rewritable nonvolatile flash memory, and a microcomputer having an input / output unit that is an interface means.
  • the holder rotation control unit 673 is configured to be able to communicate with the calculation unit 660 as described above, and controls rotation of the multi thin film holder 614 in the multi thin film system 610 based on a command from the calculation unit 660. It has become.
  • the multi-film positioning stage 615 includes a base portion 630 and a first shaft 631 through which the base portion 630 is inserted.
  • the first shaft 631 can be rotated in the ⁇ direction around the one-dot chain line with respect to the base portion 630 by a drive mechanism (not shown).
  • a frame body 635 is attached to the first shaft 631, and when the first shaft 631 rotates in the ⁇ ⁇ direction with respect to the base portion 630, the frame body 635 can also rotate in the ⁇ ⁇ direction. It can be done.
  • the first axis rotation control unit 671 is configured to be communicable with the calculation unit 660 and controls the rotation of the first shaft 631 based on a command from the calculation unit 660.
  • the second axis 632 is arranged on the frame body 635 so as to be rotatable in the ⁇ direction around the two-dot chain line with respect to the frame body 635.
  • the second shaft 632 is rotated by a drive mechanism (not shown).
  • a multi-thin film holder 614 is attached to the second shaft 632, and the multi-thin film holder 614 can also rotate in the ⁇ ⁇ direction as the second shaft 632 rotates in the ⁇ ⁇ direction.
  • the second axis rotation control unit 672 is configured to be communicable with the calculation unit 660, and controls the rotation of the second shaft 632 based on a command from the calculation unit 660.
  • the first shaft 631 as described above can be displaced in the x direction and the y direction with respect to the base portion 630 by an xy adjustment mechanism (not shown).
  • the xy adjustment mechanism control unit 670 is configured to be communicable with the calculation unit 660, and controls the displacement of the xy adjustment mechanism based on a command from the calculation unit 660.
  • the multi-thin film positioning stage 615 has all the components such as an xy adjustment mechanism (not shown) for positioning the crystal 612 in the frame 611, the first shaft 631, the second shaft 632, and the multi-thin film holder 614. included.
  • a Faraday cup 645 that supplements the ion beam is disposed on the downstream side of the multi-film positioning stage 615.
  • the ion beam generation source side is defined as the upstream side.
  • a current flows in accordance with the number and number of ions captured by the Faraday cup 645, and this current is measured by the current measuring unit 655.
  • the current data measured by the current measurement unit 655 is transmitted to the calculation unit 660, and the calculation unit 660 performs calculation processing on the current data.
  • a base portion 640 is provided in a part of the vacuum vessel 604, and a Faraday cup support member 646 is provided on the base portion 640.
  • the Faraday cup 645 is attached to the end of the Faraday cup support member 646 and is configured to be displaced by a displacement mechanism (not shown).
  • a displacement mechanism control unit 680 that controls a displacement mechanism (not shown) of the Faraday cup 645 is configured to be able to communicate with the calculation unit 660, and controls the displacement of the Faraday cup 645 based on a command from the calculation unit 660. To do.
  • the Faraday cup 645 By displacing the Faraday cup 645 under the control of the displacement mechanism control unit 680, the Faraday cup 645 is arranged in the beam line to supplement the ion beam, or the Faraday cup 645 is removed from the beam line and the ion beam is removed. It is possible to make a layout that does not supplement.
  • crystals mounted on the multi-thin film system 610 of the filter device 600 include single crystal, polycrystal and other thin films, or a thin film made of a porous material in which cavities are formed in a crystal thin film or an amorphous thin film (“ Porous thin film ”) can be used.
  • a current value (thermal load) due to cost or ion beam is selected.
  • the crystalline thin film disposed in the thin film system needs to be thinned to about 30 nm with, for example, crystalline silicon.
  • the surface normal of the crystal thin film coincides with the main crystal axis direction.
  • the surface normal is preferably ⁇ 100>, ⁇ 110>, or the like.
  • the crystal thin film is attached to the multi thin film holder 614, and this is further attached to the multi thin film system 610 main body.
  • the multi-thin film system 610 is disposed as a part of the filter device 600 in the vacuum vessel 604 as shown in the drawing. (About porous thin films)
  • the porous thin film has durability against an ion beam and is preferable as a thin film used in the filter device 600 according to the present invention.
  • FIG. 14 is a schematic diagram illustrating the structure of a porous thin film.
  • the porous thin film is a film with pores of several microns. These holes form a channel that is a passage for ions.
  • FIG. 14A a rectangular hole shape is shown, and a white portion corresponds to this.
  • FIG. 14B A cross-sectional view taken along the line B-B 'in FIG. 14B is shown in FIG.
  • the shape of the film cross-section is wedge-shaped at an angle ⁇ at the entrance surface portion and the exit surface portion.
  • the effective porosity of the porous thin film increases to nearly 100%.
  • the surface roughness of the pore wall surface (the inner surface of the cavity formed in the porous thin film) is flat on the atomic level (specifically, the surface roughness is flat on the atomic size scale (less than several nanometers)). Then, by making the incident angle less than the critical angle of channeling, scattering on the wall surface becomes specular scattering by surface channeling.
  • the critical angle for ions of 50 keV is about 3 °
  • the wedge angle is set to 2 ° in consideration of the divergence angle of the in-beam. If the hole pitch a of the porous thin film is 5 ⁇ m, the wedge length ⁇ is 143 ⁇ m, and if the number of times of scattering is two times on the upper and lower surfaces, the film thickness is about 430 ⁇ m.
  • the displacement mechanism controller 680 places the Faraday cup 645 on the beam line on which the ion beam is to pass.
  • the multi-thin film holder 614 is rotated by the holder rotation control unit 673 so that the frame 611 on which the previous crystal is not mounted is arranged on the beam line through which the ion beam passes. At this time, the generation of the ion beam is stopped.
  • an ion beam is generated so that the ion beam passes through a hollow portion in the frame 611 on which no crystal is mounted.
  • the ion beam is supplemented by the Faraday cup 645, current data is acquired by the current measurement unit 655, and this is supplied to the calculation unit 660. Send and remember.
  • the position of the first shaft 631 is fixed at the position where the current data measured by the current measuring unit 655 becomes maximum.
  • the generation of the ion beam is temporarily stopped.
  • the holder rotation control unit 673 rotates the multi-thin film holder 614 so that the frame 611 on which the crystal 612 is mounted is arranged on the beam line through which the ion beam passes.
  • an ion beam is generated so that the ion beam passes through the crystal 612 in the frame 611 on which the crystal 612 is mounted.
  • the Faraday cup 645 supplements the ion beam while rotating ⁇ around the first axis 631 by the first axis rotation controller 671 and rotating ⁇ around the second axis 632 by the second axis rotation controller 672.
  • the current measurement unit 655 acquires current data and transmits it to the calculation unit 660 for storage.
  • the rotational position of the first shaft 631 and the rotational position of the second shaft 632 are fixed at the position where the current data measured by the current measuring unit 655 is maximized.
  • the generation of the ion beam is temporarily stopped, and the adjustment of the filter device 600 in the small AMS system 500 according to the present invention is completed.
  • the xy position of the frame 611 on which no crystal is mounted in the first step is adjusted by the xy movement of the first shaft 631, but the xy position of the first shaft 631 is originally passed through the beam.
  • the position coincides, for example, in the case of a situation shortly after the previous adjustment, such an adjustment can be omitted.
  • Adjustment method when using porous thin film A method of adjusting the filter device 600 when a porous thin film is used for the filter device 600 according to the present invention and the multi-thin film system 610 is used will be described. This adjustment method is somewhat the same as when a crystalline thin film is employed. The difference is that it allows the use of a single thin film system and is the second step.
  • the single thin film system 320 described above can be used in the filter device 600 instead of the multi thin film system 610.
  • the single thin film positioning stage 322 of the single thin film system 320 also includes the xy adjustment mechanism and control unit for the first shaft 331, the rotation adjustment mechanism and control unit for the rotation angle ⁇ of the first shaft 331, and the second axis. It is preferable to perform the same adjustment as in the multi-thin film system 610 by providing a rotation angle ⁇ rotation adjustment mechanism 332 and its control unit.
  • a bolt hole located in the + y direction from the center of the vacuum flange 12 may be used as the hole to which the film used in the first step when the multi thin film system is used is not attached.
  • the bolt hole is used through a bolt when connecting the single thin film system 320 and an ionization chamber or the like. In use in the filter device 600, the bolt is not passed. It is hollow. When this bolt hole is not used, it is desirable to provide a hole having the same diameter as that of the hole for the porous thin film in a place where there is no problem in driving adjustment.
  • the first shaft 331 is pushed in the y direction by, for example, the distance between the hole position of the bolt hole and the center of the vacuum flange 12 used in the first step, that is, the hole position radius.
  • the porous thin film attached to the center of the flange 12 is arranged on the beam line.
  • an ion beam is generated so that the ion beam passes through the porous thin film.
  • the porous thin film is arranged in a system in which an ion beam is incident from the left as shown in FIG. 13 with the orientation shown in FIG. That is, it is assumed that the wedge angle of the channel wall cross section in FIG. 14, that is, the rotation axis of the tapered opening angle ⁇ and the rotation axis of the angle ⁇ in FIG.
  • the first axis rotation control unit 671 rotates ⁇ around the first axis 631, supplements the ion beam with the Faraday cup 645, acquires current data with the current measurement unit 655, and transmits this to the calculation unit 660. And remember. Then, the ⁇ rotation position of the first shaft 631 is fixed at the position where the current data measured by the current measuring unit 655 becomes maximum.
  • the current measurement unit 655 acquires current data while rotating the ⁇ rotation along the ⁇ rotation direction of FIG. 13 by the second shaft 632 by the second shaft rotation control unit 672. Go.
  • ⁇ rotation two main current peaks appear. That is, after a peak appears at a certain angle ⁇ , another peak appears after a certain angle.
  • This is due to the geometric effect of the “tapered opening in the cross section of the channel wall” provided on the ion inlet / outlet side of the cross section of the porous thin film shown in FIG.
  • pseudo channeling occurs in which ions incident in parallel to the tapered surface are reflected and emitted from the wall surface, and the substantial aperture ratio is increased.
  • the other peak is a contribution that ions enter parallel to the channel axis of the parallel channel of width a inside the porous thin film and pass through the porous film without almost contacting the wall surface.
  • the difference in angle resulting in both peaks coincides with the wedge angle of the channel wall cross section, that is, the angle ⁇ of the tapered opening.
  • the angle that gives the first current peak is the angle that brings about the desired pseudo-channeling, and is fixed here.
  • the magnitude of this peak current can exceed the magnitude of another peak and can be maximized when the channel wall scattering causes specular reflection due to surface channeling.
  • the scope of the present invention includes the case where the channel axis of an ion beam functional permeable membrane (for example, a porous thin film) is adjusted so as to be substantially parallel to the traveling direction of the ion beam. Is also included. (Demonstration result of isobaric separation)
  • the verification results of the present invention in which the filter device 600 using the single thin film system 320 is applied to the measurement target nuclide detector 580 will be described.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating a detailed configuration of the measurement target nuclide detector 580.
  • FIG. 16 is a diagram showing a change in the normalized count with respect to the voltage V D to the electrostatic deflector.
  • nuclides such as stable isobars with mass equal to analytical purposes nuclides are present, for example, 53 Cr or the like for 36 S, 53 Mn for 10 B, 36 Cl for 10 Be, these objects nuclide It becomes a nuclide that interferes with measurement (interfering nuclide), and interference nuclide classification (hereinafter, isobaric classification) is a major technical issue.
  • a degrader film is installed between the analysis electromagnet and the electrostatic deflector, and creates an energy difference between the target nuclide and the isobaric due to the atomic number dependence of the stopping power, and separates both. This method is said to be effective when the absorber cannot be used because of low energy, or when the isobaric incidence rate is the limit of the ionization chamber (over about 5 kHz).
  • the filter device 600 according to the present invention is a technology that uses ion channeling by a single crystal thin film.
  • ion channeling There are two advantages of ion channeling, one is suppression of beam divergence and the other is sufficient stopping power.
  • the filter device 600 according to the present invention is applied to separate 10 Be and 10 B.
  • the BeO-current incident on the filter device 600 was 1 to 2 ⁇ A.
  • the terminal voltage of the accelerator was 1.0 MV.
  • the energy E 0 of 10 Be 2+ and 10 B 2+ to the Si single crystal thin film is 2.44 MeV.
  • the surface of the Si single crystal thin film was a (100) plane, and the crystal thin film had a size of 4.8 ⁇ 4.8 mm and a thickness of 2 ⁇ m.
  • Table 2 shows the results of the present invention in which the crystal thin film was channeled and the results of the comparative example in which the crystal thin film was not channeled.
  • the divergence angle of the ion beam is limited to less than 0.06 ° (1 mrad) with a pinhole having an inner diameter of 1 mm. Since this angle is smaller than the critical angle of 10 Be 2+ and 10 B 2+ at 2.44 MeV of 0.5 °, most of the ions can be channeled.
  • the position of the ionization chamber was shifted 30 mm from the central axis in the deflection direction.
  • the ionization chamber entrance window was a Si 3 N 4 film having a thickness of 50 nm. Incidence ratio 10 Be / 10 B of 10 Be and 10 B to Si film was 7 ⁇ 10- 5.
  • FIG. 15 shows the change in the normalized count with respect to the voltage V D applied to the electrostatic deflector.
  • the non-channeling state of (b) the structure of the charge distribution is not clear.
  • Table 2 shows a comparison of isobaric separation performance.
  • the transmittance from the single crystal thin film to the ionization chamber is higher by one digit or more in the channeling state than in the non-channeling state.
  • the difference in energy separation ratio is small.
  • the product of the transmittance and the energy separation ratio is set as the isobaric separation performance, the value is significantly higher in the channeling state than in the non-channeling state. As described above, the superiority of the filter device 600 according to the present invention using channeling has been demonstrated.
  • the ion beam functional permeable membrane, the beam line device using the ion beam functional permeable membrane, the filter device using the ion beam functional permeable membrane, and the adjustment method of the filter device are the ion beam functional transmissive membrane.
  • the channel axis in the film is adjusted so as to be substantially parallel to the traveling direction of the ion beam, the transmittance of the ion beam can be increased, and the emittance can be improved.
  • the ion beam functional permeable membrane according to the present invention is used in a beam line device through which an ion beam traveling in one direction passes, and has an ion beam functional permeable membrane having a channel axis. Since the ion beam is substantially parallel to the traveling direction of the ion beam, the transmittance of the ion beam can be increased and the emittance can be improved. Therefore, the industrial applicability is very large.
  • Small AMS system 510 Negative ion source 520 ... Incident electromagnet 560 ... Analytical magnet 565 ... Stable nuclide detector 570 ... Energy analyzer 580 ... Measurement nuclide detector 600 ... Filter device 604 ... Vacuum container 610 ... Multi thin film system 611 ... Frame 612 ... Thin film 613 ... Thin film assembly 614 ... Multi thin film holder 615 ... Multi thin film positioning stage 630 ... Base Part 631... First axis 632... Second axis 635 .. frame 640 .. base part 645 .. Faraday cup 646... Faraday cup support member 650. 655 ... Current measurement unit 660 ... Calculation unit 670 ... xy adjustment mechanism control unit 671 ... first axis rotation control unit 672 ... second axis rotation control Part 673 ... holder rotation controller 680 ... displacement mechanism control unit

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Abstract

イオンビームの透過率を高めることが可能となり、エミッタンスの改善を図ることができるイオンビーム機能性透過膜を提供するために、本発明に係るイオンビーム機能性透過膜は、一方向に進行するイオンビームが通過するビームライン機器に用いられ、チャネルを有するイオンビーム機能性透過膜であって、チャネル軸が、前記イオンビームの進行方向と実質的に平行であることを特徴とする。

Description

イオンビーム機能性透過膜、イオンビーム機能性透過膜を用いたビームライン機器、イオンビーム機能性透過膜を用いたフィルター機器、フィルター機器の調整方法
　本発明は、イオンビームが透過する透過率を改善したイオンビーム機能性透過膜、そのようなイオンビーム機能性透過膜を用いたビームライン機器、イオンビーム機能性透過膜の調整方法に関する。
　加速器などの機器において、通常、イオンビームのエネルギーが１　ＭｅＶ（数１０ｋｅＶ）程度以上になると１μｍ（数１０ｎｍ）程度の薄膜を透過できる。従来のイオンビーム機能性透過膜（Functional Membrane for Ion beam Transmission（以下、「ＦＭＩＴ」とも称す）は、その透過現象を基礎として利用するものである。
　ＦＭＩＴの用途は、荷電変換等を機能としたタンデム加速器の荷電ストリッパー、ビームライン上での荷電数上昇を機能としたポストストリッパー、エネルギー減衰を機能としたディグレーダーがある。荷電ストリッパーとポストストリッパーは単にストリッパーと称することもある。なお、セカンドストリッパーと呼ばれる言葉があるが、上記の荷電ストリッパー用薄膜としてもポストストリッパー薄膜としても用いられるため、その用語は使用しないこととする（非特許文献１、２）。
　荷電ストリッパーおよびポストストリッパーの機能は、イオンが薄膜を通過する際のイオンの電子脱離という現象を利用している。イオンが薄膜を通過するとき、イオンと固体中の電子や原子核との衝突が発生する。入射イオンは、電子脱離と電子捕獲、励起と脱励起を繰り返しながら、入射エネルギーで決まる荷電分布（すなわち平衡荷電分布）に至る。このときの平衡電荷は、入射イオンの電荷よりも通常高いため、通過するイオンの電荷は、平均として入射イオンの電荷に比べ高くなる（非特許文献３）。
　荷電ストリッパーは、加速器に入射した負イオンを正イオンに変換し射出する機能を持つ。荷電ストリッパーは代表的にはタンデム加速器に用いられる。タンデム加速器は、入射口と出射口の中央にターミナルという部位を備え、これと入出射口とは加速管で結ばれた構造になっている。
　ターミナルに正電荷を外部から与えることで、ターミナルの電位が最も高くなり、入出射口に向かって電位が徐々に下がるような，山なりの電位分布が形成される。入射した負イオンは、正電位のターミナルに向かって加速され、ターミナル部の荷電ストリッパーにおいて、電子が剥ぎ取られ正イオンになる。正イオンは、正電位のターミナルとの電気的反発力を受け、出射口に向かって再び加速される。このように荷電ストリッパーは、タンデム加速器の機構において本質的な役割を担っている（非特許文献１）。
　荷電ストリッパーは、加速器質量分析（Accelerator Mass Spectrometry：　以後、「ＡＭＳ」と称す）においては、分析を妨害する分子のフィルター機能を兼ねる。具体的には、ＡＭＳでは、分析目的の核種とほぼ同じ質量を持つ分子（以後、「妨害分子」と称す）は目的核種の検出を妨害するが、荷電ストリッパーは妨害分子を解離させる働きを持つ（非特許文献２、５）。
　ポストストリッパーは、通常、タンデム加速器等より加速されたイオンに対し、学術的な実験目的等のためイオンの荷電数を上昇させる機能を持つ。代表的なものとしては、重イオン照射医療等に有用な物理データベースの構築に必要な実験、すなわち、イオンと固体の相互作用において、固体に入射するイオンの荷電数を調節することにある（非特許文献４）。
　ディグレーダーは、タンデム加速器等により加速されたイオンに対し、目的に応じてイオンのエネルギーを減衰させる機能を持つ。代表的には、ＡＭＳでの分析目的核種と妨害核種の分別において、両者を薄膜に入射し、阻止能の違いにより両者のエネルギーの間に差を作ることにある。加速器質量分析では、目的核種と等しい質量をもつ安定した同重体等が存在する場合、例えば、10Ｂｅに対する10Ｂ、36Ｃｌに対する36Ｓ、53Ｍｎに対する53Ｃｒ等、これらの同重体等は目的核種の測定を妨害する核種（以下、「妨害核種」と称す）となり、これらの妨害核種の分別が主要な技術となっている（非特許文献２、　５）。ディグレーダーは検出器（例えば電離箱）の手前、あるいはその付近のビームライン上に設置することが一般的である。検出器の窓にディグレーダーの機能を持たせたものを本明細書ではディグレーダーウィンドウと称す。
　以上述べたＦＭＩＴのいずれの用途でも、イオンは薄膜中の原子核との多重散乱によりビームの品質の指標となるビームエミッタンス（ビームの空間的な広がりの標準偏差σと角度拡がりの標準偏差σ’との積）の増加と透過率の減衰が発生する。
　従来、荷電ストリッパーに対しては透過率の高さを優先する場合、薄膜ではなくガスが用いられる。一方、高い電荷を得ることを優先する場合、薄膜が望まれる。薄膜で発生する大角散乱による透過率の減衰及びエミッタンスの増加に対しては、従来、薄膜の後にビーム収束レンズを設置して対処されてきた。しかしビーム集束レンズを用いたとしても、一旦悪化したエミッタンスはもはや改善することができない。（非特許文献１）
　従来、ＡＭＳ装置の小型化に向けた技術開発においては、イオンエネルギーの低下に伴い、妨害分子除去の機能を兼ねる荷電ストリッパーに対してはガスを使用せざるを得ないとされてきた。これは、イオンのエネルギーが１ＭｅＶよりも小さくなると、透過膜中での散乱（特に原子との弾性散乱）が顕著になり、エミッタンスと透過率がともに大きく悪化するためである。
　ところで、ＡＭＳ装置の小型化を制限している主要な問題は、ガスを用いた荷電ストリッパーの機能維持とビームラインの高真空を両立させることが困難であることである。ガスを用いた荷電ストリッパーの機能を保持するためにストリッパーへのガス量を増やすとビームラインへのガス漏れが増加し、イオンは漏れ出たガス分子に衝突・散乱し、その軌道がずれる確率が高くなる。
　逆に、ガスを用いた荷電ストリッパーのガス量を減らすとストリッパーの機能が低下する。現在、ＡＭＳ装置の小型化は、そのような荷電ストリッパー機能維持とビームラインの真空度維持のせめぎ合いで制限されている。しかしながら、イオンビームの透過率の高い透過膜が存在すれば、それらの両立が可能となり、その制限を取り除くことができる。したがって、透過率が改善されたＦＭＩＴの開発はＡＭＳ装置を劇的な小型化に結びつく。
特表２０１３－０１９５０９号公報 特表１９９７－１８９４３６号公報 「Electrostatic Accelerators － Fundamentals and Applications」,R. Hellborg 編,Springer  2005,第10章. 「Developments in accelerator mass spectrometry」, H.A.Synal International Journal of Mass Spectrometry, 349-350 (2013) 192-202. 「イオンビーム工学（イオン・固体相互作用編）」　藤本文範、小牧研一郎、内田老鶴圃1995第4章 「Equilibrium and non-equilibrium charge-state distributions of 2.0 MeV/u carbon ions passing through carbon foils」, M. Imai他、Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 354 (2015) 172-176. 「加速器質量分析の原理」　東京大学　松崎　浩之氏　学会誌 真空 Vol.50, No.7 (2007) 467-474.
　上述したように、従来、イオンビームの透過率が高いイオンビーム機能性透過膜が求められていたが、そのようなイオンビーム機能性透過膜が開発されておらず、問題であった。
　上記のような問題点を解決するために、本発明に係るイオンビーム機能性透過膜は、一方向に進行するイオンビームが通過するビームライン機器に用いられ、チャネルを有するイオンビーム機能性透過膜であって、チャネル軸が、前記イオンビームの進行方向と実質的に平行であることを特徴とする。
　また、本発明に係るイオンビーム機能性透過膜は、前記イオンビーム機能性透過膜が結晶であることを特徴とする。
　また、本発明に係るイオンビーム機能性透過膜は、前記イオンビーム機能性透過膜が、空洞が形成されたポーラス物質であることを特徴とする。
　また、本発明に係るビームライン機器は、イオンビームが内部を通過する真空容器と、チャネルを有し、前記真空容器内に配されるイオンビーム機能性透過膜と、前記イオンビーム機能性透過膜が取り付けられ、前記イオンビーム機能性透過膜の姿勢を調整する位置決めステージと、を有し、前記位置決めステージによって、イオンビームのビームライン中に前記イオンビーム機能性透過膜が配されように、かつ、前記イオンビーム機能性透過膜のチャネル軸が、前記イオンビームの進行方向と実質的に平行となるように調整されることを特徴とする。
　また、本発明に係るビームライン機器は、前記イオンビーム機能性透過膜が結晶であり、前記位置決めステージによって、前記結晶における結晶軸が前記イオンビームの進行方向と実質的に平行となるように調整することで、チャネル軸を前記イオンビームの進行方向と実質的に平行とすることを特徴とする。
　また、本発明に係るビームライン機器は、前記結晶が単結晶であることを特徴とする。
　また、本発明に係るビームライン機器は、前記イオンビーム機能性透過膜が、空洞が形成されたポーラス物質からなる薄膜であることを特徴とする。
　また、本発明に係るビームライン機器は、ビームライン機器が加速器であることを特徴とする。
　また、本発明に係るビームライン機器は、ビームライン機器がストリッパーであることを特徴とする。
　また、本発明に係るビームライン機器は、ビームライン機器がディグレーダーであることを特徴とする。
　また、本発明に係るビームライン機器は、ビームライン機器が電離箱であることを特徴とする。
　また、本発明に係るフィルター機器は、真空容器内で進行するイオンビームに含まれる不要分子を除去するフィルター機器であって、チャネルを有し、前記真空容器内に配されるイオンビーム機能性透過膜と、前記イオンビーム機能性透過膜が取り付けられ、前記イオンビーム機能性透過膜の姿勢を調整する位置決めステージと、を有し、前記位置決めステージによって、イオンビームのビームライン中に前記イオンビーム機能性透過膜が配されように、かつ、前記イオンビーム機能性透過膜のチャネル軸が、前記イオンビームの進行方向と実質的に平行となるように調整されることを特徴とする。
　また、本発明に係るフィルター機器は、前記イオンビーム機能性透過膜が結晶であり、前記位置決めステージによって、前記結晶における結晶軸が前記イオンビームの進行方向と実質的に平行となるように調整することで、チャネル軸を前記イオンビームの進行方向と実質的に平行とすることを特徴とする。
　また、本発明に係るフィルター機器は、前記結晶が単結晶であることを特徴とする。
　また、本発明に係るフィルター機器は、前記イオンビーム機能性透過膜が、空洞が形成されたポーラス物質からなる薄膜であることを特徴とする。
　また、本発明に係るフィルター機器の調整方法は、イオンビームが内部を通過する真空容器と、
チャネルを有し、前記真空容器内に配されるイオンビーム機能性透過膜と、前記イオンビーム機能性透過膜が取り付けられ、前記イオンビーム機能性透過膜の姿勢を調整する位置決めステージと、前記位置決めステージの下流側に配され、イオンビームを補足するファラデーカップと、前記ファラデーカップで補足されたイオンビームに基づく電流を計測する電流計測部と、を有するフィルター機器の調整方法であって、前記位置決めステージによってビームライン中に前記イオンビーム機能性透過膜が配されようにし、前記電流計測部で計測される電流が最大となるように前記位置決めステージの姿勢を調整するステップと、を有することを特徴とする。
　また、本発明に係るフィルター機器の調整方法は、イオンビームが内部を通過する真空容器と、チャネルを有し、前記真空容器内に配されるイオンビーム機能性透過膜と、前記イオンビーム機能性透過膜が取り付けられ、前記イオンビーム機能性透過膜の姿勢を調整する位置決めステージと、前記位置決めステージの下流側に配され、イオンビームを補足するファラデーカップと、前記ファラデーカップで補足されたイオンビームに基づく電流を計測する電流計測部と、を有するフィルター機器の調整方法であって、前記位置決めステージにおける前記イオンビーム機能性透過膜が配されていない位置に、イオンビームが通過するように配し、前記電流計測部で計測される電流が最大となるように前記位置決めステージの姿勢を調整する第１ステップと、前記第１ステップの後、前記位置決めステージによってビームライン中に前記イオンビーム機能性透過膜が配されようにし、前記電流計測部で計測される電流が最大となるように前記位置決めステージの姿勢を調整する第２ステップと、を有することを特徴とする。
　また、本発明に係るフィルター機器の調整方法は、前記第２ステップの後、前記ファラデーカップをビームラインから外す第３ステップを有することを特徴とする。
　本発明は、具体的には、ＦＭＩＴ（イオンビーム機能性透過膜）として結晶等の薄膜を用い、適正な厚みを持つ結晶等の薄膜に、イオンを適正な入射角度で透過させるときに発生する「イオンチャネリング透過（Ion Channeling Transmission：ＩＣＴ）」なる現象を利用し、ストリッパーやディグレーダーの機能を保ちつつ　大角散乱によるイオン透過率の低下及びエミッタンスの増加を著しく抑える方法である。従来使用される透過膜は非晶質の薄膜でありＩＣＴは発生しない。以後、ＩＣＴが発生しない状況を、イオンランダム透過（Ion Random Transmission：ＩＲＴ）と呼ぶ。
　本発明に係るイオンビーム機能性透過膜を用いたビームライン機器、イオンビーム機能性透過膜を用いたフィルター機器、フィルター機器の調整方法は、イオンビーム機能性透過膜の結晶における結晶面がイオンビームの進行方向と実質的に平行となるように調整されており、イオンビームの透過率を高めることが可能となり、エミッタンスの改善を図ることができる。
本発明の実施形態に係るイオンビーム機能性透過膜が適用される機器構成例を示す図である。 本発明の実施形態に係るイオンビーム機能性透過膜の原理を説明する図である。 本発明の実施形態に係るイオンビーム機能性透過膜が複数枚搭載されるマルチ薄膜システム２１０の構成を説明する図である。 本発明の実施形態に係るイオンビーム機能性透過膜が１枚搭載されるシングル薄膜システム３２０の構成を説明する図である。 本発明の実施形態に係るイオンビーム機能性透過膜をタンデム加速器１０に適用した例を示す図である。 本発明の実施形態に係るイオンビーム機能性透過膜をポストストリッパー３０に適用した例を示す図である。 本発明の実施形態に係るイオンビーム機能性透過膜をディグレーダー５０に適用した例を示す図である。 本発明の実施形態に係るイオンビーム機能性透過膜を電離箱７０に適用した例を示す図である。 本発明の実施形態に係るイオンビーム機能性透過膜のＩＣＴ状態の実施例を示す図である。 本発明の実施形態に係るイオンビーム機能性透過膜による、特にＡＭＳの妨害核種分別性能向上効果の実施例を説明する図である。 本発明の実施形態に係る小型ＡＭＳシステム５００の概要構成を説明する図である。 本発明の実施形態に係るフィルター機器６００を構成するマルチ薄膜システム６１０の構成を説明する図である。 本発明の実施形態に係るフィルター機器６００及びこれを制御するフィルター機器制御装置６５０を示す図である。 ポーラス物質の構造を説明する模式図である。 測定目的核種検出器５８０の詳細構成を説明する図である。 静電偏向器への電圧ＶDに対する規格化計数の変化を示す図である。
　以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施形態に係るイオンビーム機能性透過膜が適用される機器構成例を示す図である。本発明に係るイオンビーム機能性透過膜が適用される機器においては、一方向に進行するイオンビームがビームラインを通過するものである。また、本発明に係るイオンビーム機能性透過膜としては結晶等の薄膜が用いられる。
　なお、図において、ｚ方向は機器の内部を通過するイオンビームが進行する方向である。また、ｙ方向は鉛直上方であり、ｘ方向はｙ方向及びｚ方向の双方と直交する方向として定義される。
　また、本発明に係るイオンビーム機能性透過膜が複数枚搭載されるシステムをマルチ薄膜システム２１０と称し、本発明に係るイオンビーム機能性透過膜が１枚搭載されるシステムをシングル薄膜システム３２０と称する。
　図１は、本発明に係るイオンビーム機能性透過膜を、タンデム加速器１０の荷電ストリッパー１１に適用した場合を示すものであり、より具体的には図５に示すタンデム加速器１０の要部模式図である。
　不図示のイオン源で生成した負イオンはタンデム加速器１０に導かれ、図５に示すようにターミナル５に向かって加速させる。このターミナル５には、本発明に係るイオンビーム機能性透過膜が複数枚搭載されているマルチ薄膜システム２１０が設置される。
　本発明では、ターミナル５に設置したマルチ薄膜システム２１０（図３）のイオンビーム機能性透過膜に入射させ、ＩＣＴ（ICT: Ion Channeling Transmission、イオンチャネリング透過)状態を作ることでストリッパーの機能を保持しつつ、大角散乱を抑制することによるイオン透過率及びエミッタンスの改善を図る。
　本発明に係るイオンビーム機能性透過膜を、ポストストリッパー３０に適用した場合、図６に示すように加速器で加速したイオンをポストストリッパー部に導き、ここに設置したマルチ薄膜システム２１０（図３）のイオンビーム機能性透過膜に入射させ、ＩＣＴ状態を作ることでストリッパーの機能を保持しつつ大角散乱を抑制することによるイオン透過率及びエミッタンスの改善を図る。
　本発明に係るイオンビーム機能性透過膜を、ディグレーダー５０に適用した場合、分析電磁石で価数選別されたイオンを、図７に示すようにディグレーダー部に導き、ここに設置したマルチ薄膜システム２１０（図３）のイオンビーム機能性透過膜に入射させ、ＩＣＴ状態を作ることでディグレーダーの機能を保持しつつ、ＡＭＳでの妨害核種分別の効率を格段に改善する。
　本発明に係るイオンビーム機能性透過膜を、例えば、ディグレーダーウィンドウに適用した場合、図８に示すようにイオンビームを加速器装置の末端部にあたる電離箱７０の入射窓に導き、ここに設置したシングル薄膜システム３２０（図４）のイオンビーム機能性透過膜に入射させ、ＩＣＴ状態を作ることでディグレーダーの機能を保持しつつ、ディグレーダーウィンドウのイオン透過率及びエミッタンスを改善する。
　以上のような実施形態に対して、表１に示す結晶薄膜に入射するイオンのエネルギーに対応して定めた結晶薄膜の厚みの基準に従ってＩＣＴ状態を作り、本発明に係るイオンビーム機能性透過膜の機能を保持するものである。表１は、本発明に使用できるイオンのエネルギー領域、これに対応する結晶薄膜の厚みの基準を示す数値表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　ここで、ＩＣＴ状態について、図２により詳しく説明する。図２は結晶の中を進むイオンを模式的に表したものである。
　結晶内の原子は、規則正しく列をなして並んでいるが、この原子列に沿った方向（以後、結晶軸方向と呼ぶ）から眺めると、各原子列の間に原子の存在しない大きな空間（以後、チャネルと呼ぶ）が広がっていること分かる。
　したがって、図２に示すように、イオンをほぼ結晶軸方向に入射すると、イオンは原子列に近づいたとしても緩やかに離れること（小角散乱）を繰り返しながらチャネルを進行する。このような現象をイオンのチャネリングという。
　特に結晶軸に沿ったチャネリングを軸チャネリング、結晶面に沿ったチャネリングを面チャネリングと呼ぶ。軸チャネリングの方がチャネリングの効果を得やすい。
　以下、ＩＣＴ状態は断りのない限りイオンが軸チャネリングで結晶等の薄膜を透過する状態を指すが、面チャネリングによっても本発明を実現することができる。
　チャネリングするイオンは結晶原子に衝突しても、その進行方向がチャネルから大きく逸れることはない（チャネリング効果）。したがって、ＩＣＴ状態を作ることにより透過薄膜中での大角散乱を格段に抑えることができため、透過薄膜の透過率の改善と、エミッタンス増加の抑制に結びつく。実際ＩＣＴ状態が作られると透過薄膜の透過率は１０倍程度以上になる（非特許文献３）。
　本発明は、以上のようなチャネリング現象を、イオンビーム装置のビームライン機器における、イオンビームが衝突する結晶等の薄膜で発現させ、本発明に係るイオンビーム機能性透過膜となしたことが特徴点である。
　より詳しくは、本発明に係るイオンビーム機能性透過膜は、一方向に進行するイオンビームが通過するビームライン機器に用いられ、結晶からなるイオンビーム機能性透過膜であって、前記結晶の結晶面が前記イオンビームの進行方向と平行であることを特徴としている。さらに、前記結晶の結晶軸が前記イオンビームの進行方向と平行であるようにすると、軸チャネリングを発現させることができ、より効果が高い。
　このような本発明に係るイオンビーム機能性透過膜によれば、各種機器において、イオンビームの透過率を高めることが可能となり、エミッタンスの改善を図ることができる。
　なお、結晶等の薄膜の厚みが適切であれば、ＩＣＴ状態が作られていても、荷電ストリッパー１１、ポストストリッパー３０やディグレーダー５０等のイオンビーム機能性透過膜としての機能を持たせることができる。ＩＣＴ状態では、前述のようにイオンは結晶の原子列に近づいたり離れたり（小角散乱）を繰り返しながらチャネルを進行する。近づいたときイオンに束縛されている電子は、結晶の原子に衝突し、電子の損失・捕獲、イオン励起・脱励起等の素過程が発生する。結晶薄膜の厚みが表１に示す基準を満たせば、ＩＣＴ状態であっても、前記の素過程が繰り返えされイオンビーム機能性透過膜の機能を持たせることができる。
　本発明に係るイオンビーム機能性透過膜として用い得る結晶等の薄膜は、あらゆる元素で構成されたものでも使用可能である。この中でも、結晶薄膜としてはＳｉＣなどの多結晶のものも用い得るが、単結晶薄膜はチャネルの幅が大きくＩＣＴ状態を作り出すうえで有利である。さらに、ケイ素（シリコンＳｉ）の単結晶薄膜は、市販されており入手が容易であるだけでなく、結晶間隔の比較的信頼性が高いためＩＣＴ状態を作り出すための結晶薄膜としては望ましい。結晶薄膜としてはＳｉ単結晶薄膜が最も汎用性がある。
　本発明に係るイオンビーム機能性透過膜として用いる結晶等の薄膜に入射できるイオンの核種としては任意のものとすることができる。
　本発明に係るイオンビーム機能性透過膜の機能を保持するための結晶薄膜の厚みの基準［表１参照］は、次のような考え方と方法で定められる。厚みの下限は、基本的には、入射イオンの荷電分布が平衡状態を保つことができる厚みである。厚みを原子一層分から増やすと、入射イオンの価数は、複数の価数に分かれ荷電分布を形成する。厚みをさらに増やすと荷電分布は厚みによらず一定となる。
　この平衡状態に到達する厚みは、非特許文献４の中で使用されている数値計算コード（ETACHA code等）で推定することができる。一例として、１０ＭｅＶのホウ素Ｂをシリコン単結晶に入射する場合、厚みの下限は数十ｎｍとなる。この厚みをさらに薄くすると非平衡状態となり、平均電荷が厚みに強く依存することや、特許文献１におけるコヒーレント共鳴励起の影響が強まるため、荷電分布の予測が複雑になり、本発明に係るイオンビーム機能性透過膜として機能は期待できない。
　一方、厚みの上限は、入射イオンが透過薄膜を通過中に失うエネルギーが、イオンビームの利用目的において問題にならないほど十分小さい状態を保つことができる厚さである。チャネリング中のイオンは小角散乱に伴って、電子の損失・捕獲、励起・脱励起等の素過程を繰り返し、エネルギーを徐々に失っていく。これらの素過程の頻度は、厚みが増えると増加し、エネルギーが低下するだけでなく、エネルギーのばらつきが拡大する（エネルギー・ストラグリングの増大）。
　エネルギーのばらつきは、イオンビームの偏向・収束でイオン数の損失をもたらすため、抑制されることが望ましい。厚みが上限を超えエネルギーの低下とばらつきが目的に合わないほど大きくなると、もはや本発明に係るイオンビーム機能性透過膜の機能を維持しているとは言えなくなる。厚みに対するエネルギーの低下とばらつきは、数値計算コード（SRIM/TRIM等）で推定することができる。
　したがって、その数値計算コードにより厚みの上限の目安が得られる。表１には、当発明で規定するイオンビーム機能性透過膜への入射イオンのエネルギー領域と、これに対応する厚みの上限と下限を記載した。上限としては、例として、イオンビーム機能性透過膜通過中のエネルギー損失が入射エネルギーの１０％に到達することに対応する厚みを数値計算コード（SRIM/TRIM）により算出したものである。本発明に係るイオンビーム機能性透過膜の厚みをこの上限と下限の間に取ることにより、本発明に係るイオンビーム機能性透過膜の機能を持たせることができる。
　ＩＣＴ状態を作るためには、結晶軸に対するイオンの入射角度を、チャネリングの臨界角と呼ばれる角度よりも小さな角度にする必要がある。その臨界角ψc文字は、近似的には下式（１）により表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで、Ｚ1とＺ2はそれぞれ入射および透過薄膜の原子番号、ｅは電気素量、　Ｅは入射イオンのエネルギー、　ｄは原子列の原子間隔である。臨界角は、入射イオンの元素とエネルギー、透過薄膜の元素によって与えられる（非特許文献２）。一例として、１０ＭｅＶのホウ素Ｂをシリコン単結晶（ｄ＝５．４［オングストローム］）に入射する場合、ψc＝±０．４９°となる。このようにして入射角度の基準が臨界角でもってあらかじめ定められる。
　イオンの入射角度をチャネリングの臨界角以内に調節しＩＣＴ状態を作るため、透過薄膜の角度、位置を図３や図４に示す結晶等の薄膜を支持する薄膜システムを使用し、その位置決めステージにより薄膜の角度θ，ω、位置ｘ，ｙを精密に調節する。
　荷電ストリッパー１１、ポストストリッパー３０、ディグレーダー５０に対しては、使用目的上、結晶等の薄膜を支持する円盤を真空中において自由に動かすことができるようにする。図３に示すマルチ薄膜システム２１０ように、結晶等の薄膜を予備として複数備え、その場で交換できる機能をもつ構造にすることが好ましい。
　具体的には、リボルバー型のマルチ薄膜ホルダ２１４に複数の薄膜アセンブリ２１３（薄膜２１２とフレーム２１１からなる）を装着した状態でビームラインに組み込み、長時間のビーム透過により結晶等の薄膜が劣化した際、例えば、図示時計回り方向にマルチ薄膜ホルダ２１４を順次回転させ未使用の結晶薄膜を使用するというものである。
　図３において、マルチ薄膜用位置決めステージ２１５は基台部２３０を有している。第１軸２３１は基台部２３０に対して回転可能とされている。また、第１軸２３１には枠体２３５が取り付けられており、基台部２３０に対して第１軸２３１が±θ方向に回転することにより、枠体２３５も±θ方向に回転することができるようになっている。
　また、枠体２３５には、第２軸２３２が枠体２３５に対して回転可能に配されている。第２軸２３２にはマルチ薄膜ホルダ２１４が取り付けられており、第２軸２３２の±ω方向の回転に伴い、マルチ薄膜ホルダ２１４も±ω方向に回転することができるようになっている。
　ＩＣＴ状態は、上記のようなマルチ薄膜用位置決めステージ２１５を用いて結晶等の薄膜の角度及び位置を調整して作り上げ、本発明に係るイオンビーム機能性透過膜となす。荷電ストリッパー１１及びポストストリッパー３０では、イオンビーム強度が比較的強いため、結晶等の薄膜の劣化が比較的早まる。したがって、予備の薄膜をその場で交換できる機能を備えておくことは重要である。特に、前タンデム型加速器１０の荷電ストリッパー１１については、薄膜システムの取外しが加速器タンク内での手作業になり時間がかかるため、その重要性は一層高い。
　電離箱７０におけるディグレーダーウィンドウ７１に対しては、使用目的上、図４に示すように、結晶等の薄膜を支持する円盤自体が真空を封じる真空フランジ１２等も兼ねることがある。
　このため、構造上、薄膜システムに予備となる結晶等の薄膜を備えることは難しい。したがって、ディグレーダーウィンドウ７１用のシングル薄膜システム３２０は、単一の結晶等の薄膜を使用することとなる。この構成は、薄膜アセンブリ２１３、シングル薄膜ホルダ３２１、シングル薄膜用位置決めステージ３２２からなる。多くの場合、ディグレーダーウィンドウ７１をビームラインから取り外すことは比較的容易であるため、予備の薄膜をその場で交換する機能をもたせる必要性は低い。
　図４において、シングル薄膜用位置決めステージ３２２は基台部３３０を有している。第１軸３３１は基台部３３０に対して回転可能とされている。また、第１軸３３１には枠体３３５が取り付けられており、基台部３３０に対して第１軸３３１が±θ方向に回転することにより、枠体３３５も±θ方向に回転することができるようになっている。
　また、枠体３３５には、第２軸３３２が枠体３３５に対して回転可能に配されている。第２軸３３２にはシングル薄膜ホルダ３２１が取り付けられており、第２軸３３２の±ω方向の回転に伴い、シングル薄膜ホルダ３２１も±ω方向に回転することができるようになっている。
　本発明を実施するための最小単位となる前記基本機器構成は、図１に示すように、図３や図４で示した薄膜システムを中心に置き、磁気四重極（Magnetic Quadrupole）あるいは電気四重極（Electric Quadrupole）によるビーム収束レンズ（以後、単にレンズ）３をビーム軸に沿って配置したものである。
　前記のようにＩＣＴ状態の生成には入射角度の調節が必要である。イオンビーム中のできるだけ多くのイオンに対してＩＣＴ状態を作るためには、結晶等の薄膜の入射前に平行ビームを作ることが重要になる。薄膜システムの上流側に置くレンズは平行ビームを作るためである。下流側に置くレンズは、イオンビームの利用目的に応じてビームの収束する必要性があれば用いるものである。この下流側レンズは、荷電ストリッパー１１、ポストストリッパー３０、ディグレーダー５０に対しては有用である。一方、電離箱７０のディグレーダーウィンドウ７１に対して必要性は低い。
　本発明を、タンデム型加速器１０の荷電ストリッパー１１に適用した場合を図５に示す。マルチ薄膜システム２１０はタンデム型加速器１０のターミナル５に取り付け、レンズ３はタンデム型加速器１０の出入口に設置する。薄膜システムは図３に示したマルチ薄膜システム２１０である。レンズでの質量分別は、電気四重極レンズでは生じないため、特に複数の同位体をほぼ同時に加速器に入射させる必要があるＡＭＳにおいて有利となる。入口のレンズを調節し平行ビームにしてイオンを結晶等の薄膜に入射し、ＩＣＴ状態を作る。
　本発明をポストストリッパー３０に適用した場合を図６に示す。図１の構成はほぼそのままの形でポストストリッパー部に組み入れる。この場合、マルチ薄膜システム２１０を使用する。レンズ３は前記と同様に電気四重極レンズの方が有利となる場合がある。いずれにしてもレンズの効果はイオンの荷電数に依存するため、どの荷電数のイオンに対してＩＣＴ状態を作るのかを予め定めておく必要がある。
　本発明をディグレーダー５０に適用した場合を図７に示す。図１の基本構成をほぼ同じ形でディグレーダー部に組み入れる。ディグレーダー５０は、ＡＭＳの希少核種用ビームライン、すなわち複数の同位体が混在しないビームラインに用いるため、比較的取り扱いやすい磁気四重極レンズの使用が可能となる。このＡＭＳにおけるディグレーダーを使用した場合の実施例については後述する。
　本発明を電離箱７０のディグレーダーウィンドウ７１に適用した場合を図８に示す。基本構成は、シングル薄膜システム３２０、イオンビームの上流側のレンズ３で構成される。シングル薄膜システム３２０による結晶等の薄膜の位置及び角度の調節は、電離箱７０ごと動く仕組みとなる。上流側の真空容器との間に生じる力学的な歪はベローズで吸収する。
［実施例１］
　ＩＣＴ状態を作り上げる実施例を図９に示す。本実施例は、同図左側に描いた実験系を用いて、７．０ＭｅＶの10Ｂ2+をピンホールに通してＳｉ結晶薄膜へ入射して行ったものである。ＩＣＴとＩＲＴのそれぞれの状態に対して、結晶薄膜を透過するイオンを静電偏向器で振り分けながら電離箱での収量を測定し、それより荷電分布を求めた。　なお、厚さ２００ｎｍのＳｉ結晶薄膜の厚みは、表１に示した厚みの基準を満たしており、本発明に係るイオンビーム機能性透過膜の機能を果たすことが保証される。実際、同図から求められる平均電荷は４．０程度であり、文献から得られる値に等しい。すなわち、荷電分布は平衡状態に達し、本発明に係るイオンビーム機能性透過膜の機能を有する証となる。同図より、荷電数４＋でのＩＣＴ状態の透過量は、ＩＲＴ状態の透過量の６倍に達することが分かる。これは、ＩＲＴ状態よりもＩＣＴ状態に対して、本発明に係るイオンビーム機能性透過膜でのイオンの大角散乱が大幅に低減していることの証左となる。したがって、本発明により、イオンビーム機能性透過膜の機能を保持しつつイオンビーム機能性透過膜の透過率とエミッタンスが格段の改善されることが明らかになった。
［実施例２］
　ＡＭＳのディグレーダー５０に適用した場合の実施例を図１０に示す。前記のようにＡＭＳでは分析目的核種と等しい質量をもつ安定した同重体等の核種が存在する場合、例えば、10Ｂｅに対する10Ｂ、36Ｃｌに対する36Ｓ、53Ｍｎに対する53Ｃｒ等、これらは目的核種の測定を妨害する核種（妨害核種）となり、妨害核種分別が主要な技術課題となっている。
　ディグレーダー５０は一つの分別技術として次のように用いられる。分析目的核種と妨害核種の両者を薄膜に入射すると、阻止能の原子番号依存性により、双方のどちらかのエネルギーが比較的大きく損失し、両者のエネルギーの間に差が生じる。したがって、その差を基に両者を後段のエネルギー分析器で分別する。
　図１０は、ＩＣＴ状態（本発明によるイオンビーム機能性透過膜使用）とＩＲＴ状態でのディグレーダー５０による同重体分別の実施例を示したものである。この実施例では、分析目的核種に10Ｂｅ、同重体に10Ｂを充てている。なお本実施例は、前図９に描いた実験系を用いて得たものである。ただし、実際の入射イオンは10Ｂｅ2+ではなくその安定同位体の9Ｂｅ2+であり、得られた9Ｂｅ2+荷電分布の横軸（電場）に係数をかけ、10Ｂｅ2+の荷電分布になるよう理論的に補正している。
　図１０に示すように10Ｂの荷電分布は10Ｂｅの荷電分布よりも低い電場の側に計数のピークを持つ。これは、10Ｂのほうが10Ｂｅよりも原子番号が一つ大きいため、結晶薄膜中でのエネルギー損失が10Ｂで大きくなることに起因する。すなわち、電離箱に入射するイオンのエネルギーは10Ｂｅに比べ10Ｂがやや低くなる。図１０を見ると、電場が１．０～１．５ｋＶ／ｃｍの範囲でＩＣＴ、ＩＲＴ状態ともに、10Ｂｅの計数が10Ｂの計数を上回っており、この電場の範囲を用いると同重体分別の効率が高い。ＩＣＴ状態とＩＲＴ状態の差を数値的に評価するために、ディグレーダー５０の効果を、次の二つのように規定する。
（１）Ｂｅの計数率に対してＢの計数率がどれだけ抑えられるか。
（２）Ｂｅ自体の計数率をどれだけ稼ぐことができるか。
上記（１）の指標としてＢｅ／Ｂを与えることができ、Ｂｅ／Ｂが大きいほど有利である。一方上記（２）の指標としてはＢｅの計数自身と与えることができる。実際には、（１）と（２）の両方が同時に大きくなれば効果が高いため、両者を掛け合わせた指標としてＢｅ2／Ｂと置くことができる。この指標についてＩＣＴとＩＲＴの二つの状態についてまとめたものが図１０の最下段である。この図より、ディグレーダーの効果は、ＩＣＴ状態の方がＩＲＴ状態に比べ約２．６倍程度高いことが分かる。ちなみに、指標（１）のＢｅ／Ｂ自体は、両者で差は大きくないが、ＩＣＴ状態の指標（２）のＢｅ計数自体が格段に大きい分だけディグレーダー５０の効果が高くなっている。
　以上のように、本発明に係るイオンビーム機能性透過膜の機能を保持しつつ透過率を数倍以上に改善できること、また、本発明に係るイオンビーム機能性透過膜が用いられるＡＭＳにおけるディグレーダーの効果を数倍以上に向上できることを示した。これは、加速器装置の小型化、加速器装置作業効率の改善の他、ＡＭＳでの測定精度の向上をもたらす。特に荷電ストリッパーに適用した場合は、ＡＭＳの小型化で指標となる１００ｋｅＶ程度の低エネルギーのイオンに対しても、荷電ストリッパー機能維持とビームラインの高真空維持との両立を可能にし、ＡＭＳ装置の劇的な小型化に結びつく。
　以上、本発明に係るイオンビーム機能性透過膜及びイオンビーム機能性透過膜の調整方法は、一方向に進行するイオンビームが通過するビームライン機器に用いられ、結晶からなるイオンビーム機能性透過膜であって、前記結晶の結晶面が前記イオンビームの進行方向と平行であるので、本発明に係るイオンビーム機能性透過膜によれば、各種機器において、イオンビームの透過率を高めることが可能となり、エミッタンスの改善を図ることができる。
　さらに、本発明に係るイオンビーム機能性透過膜のイオン透過率及びエミッタンスがＩＣＴ状態により格段に改善することにより、次の（ａ）～（ｂ）に挙げる効果が得られる。
（ａ）荷電ストリッパー及びポストストリッパーを透過した後のイオンビーム強度の減衰が抑えられるため、加速器装置の利用にかかわるすべての作業、分析、測定の各効率が高まる。
（ｂ）前記ＡＭＳでは、ディグレーダーの妨害核種分別性能が高まるため、分析精度を向上させることができる。電離箱への入射用ウィンドウを兼ねたディグレーダーに適用した場合、ウィンドウでのイオンの散乱が大幅に抑えられ、電離箱のイオン検出領域に入るイオン数が増加するため、電離箱から得られるエネルギースペクトルのピークプロファイルが先鋭になる。これも妨害核種分別性能の向上に繋がる。
（ｃ）特に前記荷電ストリッパーに適用した場合、本発明により、ＡＭＳの小型化で指標となる数十ｋｅＶ～百ｋｅＶ程度の低エネルギーのイオンに対しても、荷電ストリッパー機能維持とビームラインの高真空維持との両立が可能となる。これは、従来、ＡＭＳ装置の小型化に向けた技術開発において障害になっていた、ガスを用いたストリッパーの機能を維持しようとするとビームラインにガス漏れが著しくなり妨害核種が増える問題が解消する。したがって、本発明は、ＡＭＳ装置の劇的な小型化に結びつく。
　次に、本発明に係るイオンビーム機能性透過膜を用いたビームライン機器の一種である小型ＡＭＳシステムのより具体的な構成について説明する。このような小型ＡＭＳシステムは、加速器質量分析（Accelerator Mass Spectrometry）法によって、試料に含まれる極微量の同位体を計数することで、試料中の同位体比を測定するものである。本発明に係る小型ＡＭＳシステムにおいては、イオンビーム機能性透過膜を、質量分析を妨害する不要分子の除去手段として利用することで、従来の加速器より小型化を図ったことが大きな特徴点となっている。ここで、本発明に係る小型ＡＭＳシステムで用いる、上記のような不要分子除去手段をフィルター機器と称することとする。
　「小型ＡＭＳシステム」に含まれるアルファベットの「Ａ」の文字は、「Accelerator」（加速器）の略ではあるが、本明細書で言う「小型ＡＭＳシステム」には、一般通念上の加速器や加速装置といった構成は含まれていない。ただし、本明細書に係る「小型ＡＭＳシステム」の負イオン源５１０の引き出し電極部（不図示）には、イオンを加速する構成は含まれる。また、本明細書に係る「小型ＡＭＳシステム」は、ビームライン機器に包含される概念である。以上から、本明細書で言う「小型ＡＭＳシステム」は、負イオン源５１０から取り出された後のイオンが、加速器や加速装置で加速されることなく、質量分析を行うことが可能な機器である、とも定義することができる。「小型ＡＭＳシステム」の「小型」は、上記のように加速器や加速装置が不要で、機器構成を小型化することが可能であることに由来している。
　本発明に係る小型ＡＭＳシステムは、タンデム加速器を取り除いたイオンエネルギー５０ｋｅＶ程度のものである。加速器において、５０ｋｅＶ程度のイオンエネルギーに対する荷電変換用および妨害分子（分析に不要な不要分子）の除去の機能は、ガスストリッパーが検討されてきている。しかし、イオンエネルギーが低くなると、イオンから電子を剥ぎ取る確率を高める必要性から、ガスストリッパーの機能を保持するためのガス量は多くなる。そうすると、ビームラインのガス圧が高まり、イオンの散乱頻度が高まるため、測定限界が悪化する。つまり、例えば、タンデム型加速器において用いられているようなガスストリッパーを小型ＡＭＳシステムでも用いることは、妨害分子除去維持と測定限界維持を両立させることが困難であった。
　そこで、本発明に係る小型ＡＭＳシステム５００においては、ガスを用いず固体を用いる妨害分子（不要分子）の除去手段として機能するフィルター機器６００を用いる構成を採用する。ここで、フィルター機器６００は、ガスストリッパーと同様に、妨害分子（不要分子）の電子を剥ぎ取り分子の解離を促すものとして機能するものである。図１１は本発明に係る小型ＡＭＳシステム５００の概要構成を説明する図であり、小型ＡＭＳシステム５００を鳥瞰的に見た図である。
　本発明に係る小型ＡＭＳシステム５００は、イオンビームが進行する順で見て、主として、負イオン源５１０、入射電磁石５２０、フィルター機器６００、分析電磁石５６０、安定核種検出器５６５、エネルギー分析器５７０、測定目的核種検出器５８０から構成されている。また、各構成は真空容器の配管によって接続されている。
　従来のタンデム型加速器においては、図１１におけるフィルター機器６００の位置にガスストリッパーが置かれていた（例えば、米国特許公報８７９１４１０号参照）。これに対して、本発明に係る小型ＡＭＳシステム５００では、ガスストリッパーの代わりにフィルター機器６００が配置され、測定目的核種とほぼ同じ質量の妨害分子を、フィルター機器６００によって解離し除去の準備を行う。
　フィルター機器６００は、概略、マルチ薄膜システム６１０（或いは、シングル薄膜システム）とファラデーカップ６４５と、これらを収めた真空容器６０４とから構成される。また、薄膜システムで用いる結晶がイオンビームに対して脆弱であり、交換頻度が高く見積もられる場合には、薄膜システムとして、マルチ薄膜システム６１０を用いることが好ましい。また、薄膜システムで用いる結晶としては、単結晶、多結晶などの結晶薄膜、或いは、結晶薄膜又は非晶質の薄膜に空洞が形成されたポーラス物質からなる薄膜（本明細書ではこのような薄膜を「ポーラス薄膜」と言う。）を用いることができる。
　本発明に係るイオンビーム機能性透過膜に用い得る物質は、チャネル（ビームラインを構成するイオンの通路）を有する物質であるということができる。チャネルを有する物質におけるイオンの通路を「チャネル」と称することもできる。このようなチャネルを有する物質としては、単結晶、多結晶などの結晶、或いは、結晶薄膜又は非晶質の薄膜に空洞が形成されたポーラス物質である。
　チャネルを有する物質が結晶の場合では、結晶における結晶面と平行な軸、又は結晶の結晶軸と平行な軸をチャネル軸ということができる。また、チャネルを有する物質がポーラス物質の場合では、ポーラス物質に形成された空洞の形状を略円柱状と捉えるとすると、当該円柱の円柱軸と平行な軸ということができる。
　なお、結晶質のポーラス物質においては、前記空洞の内空表面の粗さをｎｍスケール未満にし、イオンの入射角をチャネリングの臨界角未満にした場合、表面チャネリングが顕著に現れ、表面での散乱は鏡面反射が主となる。したがって、この場合、非晶質の薄膜に空洞が形成されたポーラス物質に比べて、イオンの大角散乱が抑えられビーム透過率が高まりやすい。ただし、後者のポーラス物質では表面粗さの制限が緩まるため、後者のポーラス物質には製造上のハードルが低い、というメリットがある。
　本発明に係るイオンビーム機能性透過膜を用いたビームライン機器、フィルター機器等においては、イオンビーム機能性透過膜が有するチャネルを、一方向に進行するビームラインが通過するように調整されてなることが特徴点となっている。
　以下、小型ＡＭＳシステム５００に用いる本発明に係るフィルター機器６００についてより詳細に説明する。図１２は本発明の実施形態に係るフィルター機器６００を構成するマルチ薄膜システム６１０の構成を説明する図であり、イオンビームの進行方向でマルチ薄膜システム６１０を見た図である。また、図１３は本発明の実施形態に係るフィルター機器６００及びこれを制御するフィルター機器制御装置６５０を示す図である。図１３において、フィルター機器６００の構成は、概略、図１１におけるＡ－Ａ’断面を示すものである。
　フィルター機器６００を構成するマルチ薄膜システム６１０においては、結晶等の薄膜やポーラス物質の薄膜などの結晶を支持する円盤状のマルチ薄膜ホルダ６１４を真空中において、不図示の駆動力により動かすことができるようにする。マルチ薄膜システム６１０は、結晶を予備として複数備えており、真空容器６０４を空けることなく、ビームラインが通過する結晶を交換できる機能を有し、好ましい。
　Ｏを中心として回転するリボルバー型のマルチ薄膜ホルダ６１４には、複数の薄膜アセンブリ６１３（結晶６１２と、この結晶６１２を保持する枠体であるフレーム６１１とからなる）を装着した状態で真空容器６０４内に組み込む。マルチ薄膜システム６１０においては、マルチ薄膜ホルダ６１４の複数の結晶６１２のうちの１つにはイオンビームが透過される形で運用され、長時間のビーム透過により結晶６１２が劣化した際、Ｏを通り紙面に対して垂直な軸を回転軸としてマルチ薄膜ホルダ６１４を順次回転させ、次に未使用の結晶を使用するというものである。
　フィルター機器６００を制御するフィルター機器制御装置６５０における演算部６６０は、演算を実行するＣＰＵや、このＣＰＵのワークエリアとなる書き換え可能な記憶手段であるＲＡＭや、基本的なプログラムが書き込まれている不揮発性の記憶手段であるＲＯＭや、書き換え可能で不揮発性のフラッシュメモリーや、インターフェイス手段である入出力部などを有するマイクロコンピューターで構成することができる。
　ホルダ回転制御部６７３は、上記のような演算部６６０と通信可能に構成されており、演算部６６０からの指令に基づいて、マルチ薄膜システム６１０におけるマルチ薄膜ホルダ６１４の回転の制御を行うようになっている。
　マルチ薄膜用位置決めステージ６１５は基台部６３０と、この基台部６３０が挿通される第１軸６３１とを有している。第１軸６３１は、不図示の駆動機構により基台部６３０に対して、１点鎖線を中心としてθ方向に回転可能とされている。また、第１軸６３１には枠体６３５が取り付けられており、基台部６３０に対して第１軸６３１が±θ方向に回転することにより、枠体６３５も±θ方向に回転することができるようになっている。第１軸回転制御部６７１は、演算部６６０と通信可能に構成されており、演算部６６０からの指令に基づいて、第１軸６３１の回転の制御を行うようになっている。
　また、枠体６３５には、第２軸６３２が枠体６３５に対して、２点鎖線を中心としてω方向に回転可能に配されている。第２軸６３２は、不図示の駆動機構により回転されるようになっている。第２軸６３２にはマルチ薄膜ホルダ６１４が取り付けられており、第２軸６３２の±ω方向の回転に伴い、マルチ薄膜ホルダ６１４も±ω方向に回転することができるようになっている。第２軸回転制御部６７２は、演算部６６０と通信可能に構成されており、演算部６６０からの指令に基づいて、第２軸６３２の回転の制御を行うようになっている。
　なお、図１２において、１点鎖線と２点鎖線の交点が、ビームラインを通過するポイントであることが想定されている。
　また、上記のような第１軸６３１は、基台部６３０に対して、ｘｙ調整機構（不図示）によって、ｘ方向及びｙ方向に変位可能とされている。ｘｙ調整機構制御部６７０は、演算部６６０と通信可能に構成されており、演算部６６０からの指令に基づいて、当該ｘｙ調整機構の変位の制御を行うようになっている。
　なお、マルチ薄膜用位置決めステージ６１５には、フレーム６１１中の結晶６１２を位置決めするためのｘｙ調整機構（不図示）、第１軸６３１、第２軸６３２、マルチ薄膜ホルダ６１４などの全ての構成が含まれる。
　マルチ薄膜用位置決めステージ６１５の下流側には、イオンビームを補足するファラデーカップ６４５が配されている。なお、本明細書においては、イオンビームの発生源側を上流側として定義する。ファラデーカップ６４５で補足されるイオンの数量・荷数に応じて電流が流れるようになっており、この電流は電流計測部６５５で計測される。電流計測部６５５で計測された電流データは、演算部６６０に対して送信され、演算部６６０で電流データに対する演算処理が行われるようになっている。
　真空容器６０４の一部には基台部６４０が設けられており、この基台部６４０にはファラデーカップ支持部材６４６が設けられている。ファラデーカップ６４５は、このファラデーカップ支持部材６４６の端部に取り付けられており、不図示の変位機構により変位するように構成されている。ファラデーカップ６４５の変位機構（不図示）を制御する変位機構制御部６８０は、演算部６６０と通信可能に構成されており、演算部６６０からの指令に基づいて、ファラデーカップ６４５の変位の制御を行うようになっている。変位機構制御部６８０からの制御によりファラデーカップ６４５を変位させることで、ファラデーカップ６４５をビームライン中に配しイオンビームを補足するようなレイアウトとしたり、ファラデーカップ６４５をビームラインから外しイオンビームを補足しないレイアウトとしたりすることができるようになっている。
　次に、本発明に係るフィルター機器６００のマルチ薄膜システム６１０に搭載する結晶について説明する。これまで説明したように、マルチ薄膜システム６１０に搭載する結晶としては、単結晶、多結晶などの結晶薄膜、或いは、結晶薄膜又は非晶質の薄膜に空洞が形成されたポーラスからなる薄膜（「ポーラス薄膜」）を用いることができる。
　本発明に係る小型ＡＭＳシステム５００における分析で、通常の結晶薄膜を採用するか、又は、空洞が形成されたポーラス薄膜を採用するかを選択するにあたっては、コストやイオンビームによる電流値（熱負荷）との兼ね合いを検討する。
　マルチ薄膜システム６１０に搭載される結晶に入射するイオンビームの時間平均電流が１ｎＡ～１０ｎＡを大きく超える場合、ポーラス薄膜を選択することが好ましい。イオンエネルギーが５０ｋｅＶ程度のイオンに適する膜厚２０～３０ｎｍの結晶薄膜（例えば、結晶シリコンの場合）では、炭素測定でよく使用される時間平均電流１μＡの熱負荷は耐えられない。ポーラス薄膜は、そのような熱負荷に対処することが可能である。
　次に、結晶薄膜とポーラス薄膜との相違について説明する。
（結晶薄膜について）
　薄膜システムに配する結晶薄膜は、例えば結晶シリコンで３０ｎｍ厚程度まで薄くする必要がある。結晶薄膜の角度調整機構の駆動範囲を狭くできる観点から、結晶薄膜の面法線は主要な結晶軸方向に一致することが望ましい。例えば、シリコン結晶を用いる場合、面の法線は＜１００＞、＜１１０＞等であることが好ましい。これにより、チャネリングを発現させるための調整角度範囲は、ビーム入射軸と面法線のなす角が０度付近に絞られる。結晶薄膜は、マルチ薄膜ホルダ６１４に装着し、これをさらにマルチ薄膜システム６１０本体に装着する。マルチ薄膜システム６１０はフィルター機器６００の一部として、図に示したように真空容器６０４に配される。
（ポーラス薄膜について）
　　ポーラス薄膜は、イオンビームに対する耐久性を備えており、本発明に係るフィルター機器６００に用いる薄膜として好ましい。図１４はポーラス薄膜の構造を説明する模式図である。
　ポーラス薄膜は数ミクロンの孔が並んだ膜である。これらの孔がイオンの通路であるチャネルを形成する。図１４（Ａ）中では、孔形状を矩形にしたものを示しており、白抜き部がこれに相当する。ポーラス薄膜の膜面を見ると、図１４（Ａ）に示すようにチェッカーフラッグ様となる。この図のＢ－Ｂ’で切ったときの断面図を図１４（Ｂ）に示す。
　膜断面の形状は、入射面部と出射面部において角度ηでくさび状になっている。イオンが図面左側から入ると飛行と壁面での散乱を繰り返して図面右側から出る。このような状況は、結晶のイオンチャネリングと類似し、疑似チャネリング効果と呼ばれている（Ｈａｊｎａｌ、　ｅｔ　ａｌ．,  Ｎｕｃｌ．　Ｉｎｓｔ．　ａｎｄ　Ｍｅｔｈ．　Ｂ　１１８　（１９９６）　６１７．）。
　特に、図１４に示すように断面をくさび状にし、イオンＰ、Ｑを互いにほぼ平行で紙面左側からくさび角度ηと同じ角度で入射する状況を作ると、それらのイオンは、上面、下面で同じ回数だけ散乱を繰り返し紙面右側から同じ角度で出射する。
　このような状況設定により、ポーラス薄膜の実効的な開口率（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）が１００％近くに高まる。また、孔壁面（ポーラス薄膜に形成された空洞の内空表面）の表面粗さが原子レベルでみて平坦（具体的には表面粗さが原子サイズのスケール（数ｎｍ程度未満）でみて平坦）であれば、入射角度をチャネリングの臨界角未満にすることで、壁面での散乱は、表面チャネリングによる鏡面散乱となる。
　これは、ポーラス薄膜での透過率を高める役割を果たす。実際、ポーラス薄膜の透過率に表面チャネリングが寄与することが知られている（前記のＨａｊｎａｌの論文）。このような斜め入射はイオンビームを受ける面積の増大につながるため、熱流束を低減できる。サイズの一例は次のとおりである。５０ｋｅＶのイオンに対する臨界角は約３°であり、インビームの発散角を考慮し、くさび角を２°と設定する。ポーラス薄膜の孔ピッチａを５μｍとすると、くさび長λは１４３μｍ、散乱回数を上面と下面の２回とすると膜厚は４３０μｍ程度となる。
　２回の散乱回数は、本発明に係るフィルター機器６００の機能の保持に十分であると考えられる。このポーラス薄膜は、ビーム負荷に耐えうるものであるため、マルチ薄膜システムの必要性は下がり、先に説明したシングル薄膜システム３２０の使用が可能となる。このようなポーラス薄膜はシングル薄膜ホルダ３２１に装着される。さらにシングル薄膜システム３２０の本体に装着する。シングル薄膜システム３２０は本発明に係るフィルター機器６００の一部としても、真空容器６０４と共に用いることができる。
（結晶薄膜を採用した場合の調整方法）
　次に、本発明に係るフィルター機器６００に、結晶薄膜を採用しマルチ薄膜システム６１０を用いた場合におけるフィルター機器６００の調整方法を説明する。
　まず、第１ステップとして、マルチ薄膜システム６１０のマルチ薄膜ホルダ６１４においては、結晶が装着されていないフレーム６１１を少なくとも１フレーム設けておき、真空容器６０４に収容する。また、変位機構制御部６８０によって、ファラデーカップ６４５の配置をイオンビームが通過する予定のビームライン上としておく。
　続いて、ホルダ回転制御部６７３によってマルチ薄膜ホルダ６１４を回転させて、イオンビームが通過するビームライン上に、先の結晶が装着されていないフレーム６１１が配されるように調整する。このときイオンビームの発生は停止させている。
　続いて、イオンビームを発生させて、結晶が装着されていないフレーム６１１中の空洞部に、イオンビームが通過するようにする。次に、ｘｙ調整機構制御部６７０で第１軸６３１のｘｙ位置を調整しながら、ファラデーカップ６４５によってイオンビームを補足し、電流計測部６５５で電流データを取得して、これを演算部６６０に送信して記憶していく。そして、電流計測部６５５で計測される電流データが最大となる位置で、第１軸６３１の位置を固定する。第１軸６３１の位置が固定されると、イオンビームの発生を一旦停止する。
　第２ステップとして、ホルダ回転制御部６７３によって、マルチ薄膜ホルダ６１４を回転させて、イオンビームが通過するビームライン上に、結晶６１２が装着されているフレーム６１１が配されるように調整する。
　続いて、イオンビームを発生させて、結晶６１２が装着されているフレーム６１１中の結晶６１２に、イオンビームが通過するようにする。次に、第１軸回転制御部６７１によって第１軸６３１でθを回転させ、また、第２軸回転制御部６７２によって第２軸６３２でω回転させながら、ファラデーカップ６４５によってイオンビームを補足し、電流計測部６５５で電流データを取得して、これを演算部６６０に送信して記憶していく。そして、電流計測部６５５で計測される電流データが最大となる位置で、第１軸６３１の回転位置、及び、第２軸６３２の回転位置を固定する。各軸の回転位置が固定されると、イオンビームの発生を一旦停止し、本発明に係る小型ＡＭＳシステム５００におけるフィルター機器６００の調整が完了する。
　なお、本実施形態では、第１ステップで結晶が装着されていないフレーム６１１のｘｙ位置を、第１軸６３１のｘｙ移動で調整するようにしたが、もともと第１軸６３１のｘｙ位置がビーム通過位置と一致しているとみなせる場合、例えば前回の調整から間もない状況などの場合、このような調整を省略することも可能である。
（ポーラス薄膜を用いた場合の調整方法）
　本発明に係るフィルター機器６００に、ポーラス薄膜を採用しマルチ薄膜システム６１０を用いた場合におけるフィルター機器６００の調整方法を説明する。この調整方法は、結晶薄膜を採用した場合とある程度は同じである。異なるところは、シングル薄膜システムの使用が可能になること、また第２ステップである。
　ポーラス薄膜を用いた場合、フィルター機器６００においては、マルチ薄膜システム６１０に代えて、先に説明したシングル薄膜システム３２０を用いることもできる。このとき、シングル薄膜システム３２０のシングル薄膜用位置決めステージ３２２にも、第１軸３３１のｘｙ調整機構及びその制御部、第１軸３３１の回転角θの回転調整機構及びその制御部、第２軸３３２の回転角ω回転調整機構及びその制御部を設けて、マルチ薄膜システム６１０と同様の調整をすることが好ましい。マルチ薄膜システム使用時の第１ステップで用いられる膜の取り付けられていない孔は、シングル薄膜システムでは、例えば、真空フランジ１２の中心から＋ｙ方向に位置するボルト孔を流用すればよい。そのボルト孔は、図８の説明で述べたように、シングル薄膜システム３２０と電離箱等を接続する際にボルトを通して用いられるものであり、フィルター機器６００での使用では、ボルトは通されておらず空洞になっている。このボルト孔を使用しない場合は、駆動調整に支障のない箇所に、ポーラス薄膜用の孔と同程度の径を持つ孔を設けておくことが望ましい。
　次に第２ステップでは、第１ステップで使用した、例えば、ボルト孔の孔位置と真空フランジ１２の中心の距離、すなわち孔位置半径だけ第１軸３３１をｙ方向に押し込む。これにより、ビームライン上に、フランジ１２の中心に装着されたポーラス薄膜が配されることになる。そしてイオンビームを発生させて、ポーラス薄膜に、イオンビームが通過するようにする。
　以下の調整方法の説明では、ポーラス薄膜を図１４の方位のまま、図１３のようにイオンビームが左から入射する系に配置した場合を想定する。すなわち、図１４のチャネル壁断面のくさびの角度、すなわちテーパ状開口の角度ηの回転軸と、図１３の角度ωの回転軸は平行であるものとする。
　次に、第１軸回転制御部６７１によって第１軸６３１でθ回転させ、ファラデーカップ６４５によってイオンビームを補足し、電流計測部６５５で電流データを取得して、これを演算部６６０に送信して記憶していく。そして、電流計測部６５５で計測される電流データが最大となる位置で、第１軸６３１のθ回転位置を固定する。
　ω回転も、θ回転と似たように、第２軸回転制御部６７２によって第２軸６３２で、図１３のω回転方向に沿って回転させながら、電流計測部６５５で電流データを取得していく。ただし、ω回転の場合、主要な電流ピークが二つ現れる。すなわち、ある角度ωでピークが現れた後、ある角度を経るともう一つのピークが現れる。これは、図１４で示したポーラス薄膜断面のイオン入出側に設けている「チャネル壁断面のテーパ状開口部」の幾何学的な効果による。この効果により、図１４で図示しているように、このテーパ面に平行に入射したイオンが壁面で反射し出射するという疑似チャネリングが生じるとともに、実質的な開口率が高まるため、通過するイオンが増加し、上記の一つのピークを形成する。もう一つのピークは、ポーラス薄膜内部の幅ａの平行チャネルのチャネル軸と平行にイオンが入射し、壁面にほとんど接すること無しでポーラス膜を透過する寄与である。両者のピークをもたらす角度の差は、チャネル壁断面のくさびの角度、すなわちテーパ状開口の角度ηに一致する。上記で想定した、ポーラス薄膜の配位では、一つ目に出てくる電流ピークを与える角度が、目的とする疑似チャネリングをもたらす角度であり、ここで固定する。このピーク電流の大きさは、チャネル壁面での散乱が表面チャネリングによる鏡面反射が起きる場合、もう一つのピークの大きさを超え、最大となり得る。かくして、ポーラス薄膜を用いた場合の、本発明に係る小型ＡＭＳシステム５００におけるフィルター機器６００の調整が完了する。
　以上のような知見を踏まえ、本発明の範疇には、イオンビーム機能性透過膜（例えば、ポーラス薄膜）のチャネル軸が、イオンビームの進行方向と実質的に平行となるように調整される場合も含まれるものと定義する。
（同重体分別の実証結果）
　次に、シングル薄膜システム３２０を用いたフィルター機器６００を、測定目的核種検出器５８０に適用した本発明の実証結果について説明する。図１５は測定目的核種検出器５８０の詳細構成を説明する図である。図１６は静電偏向器への電圧ＶDに対する規格化計数の変化を示す図である。
　加速器質量分析では分析目的核種と等しい質量をもつ安定した同重体等の核種が存在する場合、例えば、10Ｂｅに対する10Ｂ、36Ｃｌに対する36Ｓ、53Ｍｎに対する53Ｃｒ等、これらは目的核種の測定を妨害する核種（妨害核種）となり、妨害核種分別（以下、同重体分別）が主要な技術課題となっている。
　この技術の一つとしてディグレーダー膜を用いた方法がある。通常、ディグレーダー膜は分析電磁石と静電偏向器の間に設置され、阻止能の原子番号依存性より目的核種と同重体の間にエネルギーの差を作り、両者を分別する。この方法は、低エネルギーのためアブソーバーが使用できない場合や、同重体入射率が電離箱の限界（５ｋＨｚ程度超）などの場合に効果的であるとされている。
　従来は、ディグレーダー膜として非晶質材料（代表的には窒化ケイ素）が用いられてきた。本発明に係るフィルター機器６００では単結晶薄膜によるイオンチャネリングを利用する技術である。イオンチャネリングの利点は二つあり、一つは、ビーム発散の抑制、もう一つは十分な阻止能である。これらを活かすことで、従来用いることができなかった、目的核種と妨害核種のエネルギー差を比較的大きくできる１μｍ程度の膜を用いてもチャネリングによる大角散乱の低減により、膜から目的核種検出器までの透過率を飛躍的に高めることができる。以下、10Ｂｅと10Ｂの分別に本発明に係るフィルター機器６００を適用した場合である。
　フィルター機器６００に入射するＢｅＯ－電流は１～２　μＡであった。加速器のターミナル電圧は１．０ＭＶとした。この場合、Ｓｉ単結晶薄膜への10Ｂｅ2+と10Ｂ2+のエネルギーＥ0は２．４４　ＭｅＶとなる。Ｓｉ単結晶薄膜の膜の面は（１００）面であり、同結晶薄膜のサイズは４．８×４．８ｍｍ、厚みは２μｍのものを用いた。角度調節は２軸回転のゴニオメーターで行った。角度の定義としては、［１００］軸チャネリングが起きるようなビーム軸と薄膜のなす角が直角になる時をθ＝ω＝０°とした。Ｓｉ単結晶薄膜の非チャネリング状態は、θ＝８。５°、ω＝５°とした。表２に結晶薄膜をチャネリング状態とした本発明の場合の結果と、結晶薄膜をチャネリング状態としない比較例の場合の結果とを示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　イオンビームの発散角は、内径１ｍｍのピンホールで０．０６°（１ｍｒａｄ）未満に制限される。この角度は、２．４４ＭｅＶでの10Ｂｅ2+と10Ｂ2+の臨界角０．５°よりも小さいため、イオンのほとんどがチャネリング可能となる。電離箱の位置は中心軸から偏向方向に３０ｍｍずらした。電離箱入射窓は、厚さ５０ｎｍのＳｉ3Ｎ4膜とした。Ｓｉ膜への10Ｂｅと10Ｂの入射比10Ｂｅ／10Ｂは７×１０―5であった。
　静電偏向器への電圧ＶDに対する規格化計数の変化を図１５に示す。（ａ）のチャネリング状態では、荷電分布の構造が出現しており、特にＶD＝２．５ｋＶで、10Ｂの抑制、10Ｂｅの増加が見られる。（ｂ）の非チャネリング状態では、荷電分布の構造ははっきりしない。（ｃ）は10Ｂｅ／10Ｂ比のＶD依存性である。チャネリング状態ではＶD＝２．５ｋＶで最大３×１０-3に達する。この値は、非チャネリング状態の一桁程度高い。これらは、チャネリング条件では、前に述べた所期の二つの効果による。
　同重体分別性能の比較が表２に示されている。単結晶薄膜から電離箱への透過率は、チャネリング状態において非チャネリング状態よりも一桁以上高い。エネルギー分離比は、両者の差は小さい。その透過率とエネルギー分離比の積を同重体分別性能と置くと、その値はチャネリング状態において非チャネリング状態よりも格段に高い。以上、チャネリングを利用した本発明に係るフィルター機器６００の優位性が実証された。
　以上、本発明に係るイオンビーム機能性透過膜、イオンビーム機能性透過膜を用いたビームライン機器、イオンビーム機能性透過膜を用いたフィルター機器、フィルター機器の調整方法は、イオンビーム機能性透過膜におけるチャネル軸がイオンビームの進行方向と実質的に平行となるように調整されており、イオンビームの透過率を高めることが可能となり、エミッタンスの改善を図ることができる。
産業上の利用性
　従来、ビームライン機器等においては、イオンビームの透過率が高いイオンビーム機能性透過膜が求められていたが、そのようなイオンビーム機能性透過膜が開発されておらず、機器の小型化の阻害要因等になり問題であった。これに対して、本発明に係るイオンビーム機能性透過膜は、一方向に進行するイオンビームが通過するビームライン機器に用いられ、チャネルを有するイオンビーム機能性透過膜であって、チャネル軸が、前記イオンビームの進行方向と実質的に平行であるので、イオンビームの透過率を高めることが可能となると共に、エミッタンスの改善を図ることができるため、産業上の利用性が非常に大きい。
３・・・ビーム収束レンズ
４・・・真空容器
５・・・ターミナル
１０・・・タンデム型加速器
１１・・・荷電ストリッパー
１２・・・真空フランジ
３０・・・ポストストリッパー
５０・・・ディグレーダー
７０・・・電離箱
７１・・・ディグレーダーウィンドウ
２１０・・・マルチ薄膜システム
２１１・・・フレーム
２１２・・・薄膜
２１３・・・薄膜アセンブリ
２１４・・・マルチ薄膜ホルダ
２１５・・・マルチ薄膜用位置決めステージ
２３０・・・基台部
２３１・・・第１軸
２３２・・・第２軸
２３５・・・枠体
３２０・・・シングル薄膜システム
３２１・・・シングル薄膜ホルダ
３２２・・・シングル薄膜用位置決めステージ
３３０・・・基台部
３３１・・・第１軸
３３２・・・第２軸
３３５・・・枠体
５００・・・小型ＡＭＳシステム
５１０・・・負イオン源
５２０・・・入射電磁石
５６０・・・分析電磁石
５６５・・・安定核種検出器
５７０・・・エネルギー分析器
５８０・・・測定目的核種検出器
６００・・・フィルター機器
６０４・・・真空容器
６１０・・・マルチ薄膜システム
６１１・・・フレーム
６１２・・・薄膜
６１３・・・薄膜アセンブリ
６１４・・・マルチ薄膜ホルダ
６１５・・・マルチ薄膜用位置決めステージ
６３０・・・基台部
６３１・・・第１軸
６３２・・・第２軸
６３５・・・枠体
６４０・・・基台部
６４５・・・ファラデーカップ
６４６・・・ファラデーカップ支持部材
６５０・・・フィルター機器制御装置
６５５・・・電流計測部
６６０・・・演算部
６７０・・・ｘｙ調整機構制御部
６７１・・・第１軸回転制御部
６７２・・・第２軸回転制御部
６７３・・・ホルダ回転制御部
６８０・・・変位機構制御部

Claims (18)

  1. 一方向に進行するイオンビームが通過するビームライン機器に用いられ、チャネルを有するイオンビーム機能性透過膜であって、
    チャネル軸が、前記イオンビームの進行方向と実質的に平行であることを特徴とするイオンビーム機能性透過膜。
  2. 前記イオンビーム機能性透過膜が結晶であることを特徴とする請求項１に記載のイオンビーム機能性透過膜。
  3. 前記イオンビーム機能性透過膜が、空洞が形成されたポーラス物質であることを特徴とする請求項１に記載のイオンビーム機能性透過膜。
  4. イオンビームが内部を通過する真空容器と、
    チャネルを有し、前記真空容器内に配されるイオンビーム機能性透過膜と、
    前記イオンビーム機能性透過膜が取り付けられ、前記イオンビーム機能性透過膜の姿勢を調整する位置決めステージと、を有し、
    前記位置決めステージによって、イオンビームのビームライン中に前記イオンビーム機能性透過膜が配されように、かつ、前記イオンビーム機能性透過膜のチャネル軸が、前記イオンビームの進行方向と実質的に平行となるように調整されることを特徴とするビームライン機器。
  5. 前記イオンビーム機能性透過膜が結晶であり、前記位置決めステージによって、前記結晶における結晶軸が前記イオンビームの進行方向と実質的に平行となるように調整することで、チャネル軸を前記イオンビームの進行方向と実質的に平行とすることを特徴とする請求項４に記載のビームライン機器。
  6. 前記結晶が単結晶であることを特徴とする請求項５に記載のビームライン機器。
  7. 前記イオンビーム機能性透過膜が、空洞が形成されたポーラス物質からなる薄膜であることを特徴とする請求項４に記載のビームライン機器。
  8. ビームライン機器が加速器であることを特徴とする請求項４乃至請求項７のいずれか１項に記載のビームライン機器。
  9. ビームライン機器がストリッパーであることを特徴とする請求項４乃至請求項７のいずれか１項に記載のビームライン機器。
  10. ビームライン機器がディグレーダーであることを特徴とする請求項４乃至請求項７のいずれか１項に記載のビームライン機器。
  11. ビームライン機器が電離箱であることを特徴とする請求項４乃至請求項７のいずれか１項に記載のビームライン機器。
  12. 真空容器内で進行するイオンビームに含まれる不要分子を除去するフィルター機器であって、
    チャネルを有し、前記真空容器内に配されるイオンビーム機能性透過膜と、
    前記イオンビーム機能性透過膜が取り付けられ、前記イオンビーム機能性透過膜の姿勢を調整する位置決めステージと、を有し、
    前記位置決めステージによって、イオンビームのビームライン中に前記イオンビーム機能性透過膜が配されように、かつ、前記イオンビーム機能性透過膜のチャネル軸が、前記イオンビームの進行方向と実質的に平行となるように調整されることを特徴とするフィルター機器。
  13. 前記イオンビーム機能性透過膜が結晶であり、前記位置決めステージによって、前記結晶における結晶軸が前記イオンビームの進行方向と実質的に平行となるように調整することで、チャネル軸を前記イオンビームの進行方向と実質的に平行とすることを特徴とする請求項１２に記載のフィルター機器。
  14. 前記結晶が単結晶であることを特徴とする請求項１３に記載のフィルター機器。
  15. 前記イオンビーム機能性透過膜が、空洞が形成されたポーラス物質からなる薄膜であることを特徴とする請求項１２に記載のフィルター機器。
  16. イオンビームが内部を通過する真空容器と、
    チャネルを有し、前記真空容器内に配されるイオンビーム機能性透過膜と、
    前記イオンビーム機能性透過膜が取り付けられ、前記イオンビーム機能性透過膜の姿勢を調整する位置決めステージと、
    前記位置決めステージの下流側に配され、イオンビームを補足するファラデーカップと、
    前記ファラデーカップで補足されたイオンビームに基づく電流を計測する電流計測部と、を有するフィルター機器の調整方法であって、
    前記位置決めステージによってビームライン中に前記イオンビーム機能性透過膜が配されようにし、前記電流計測部で計測される電流が最大となるように前記位置決めステージの姿勢を調整するステップと、を有することを特徴とするフィルター機器の調整方法。
  17. イオンビームが内部を通過する真空容器と、
    チャネルを有し、前記真空容器内に配されるイオンビーム機能性透過膜と、
    前記イオンビーム機能性透過膜が取り付けられ、前記イオンビーム機能性透過膜の姿勢を調整する位置決めステージと、
    前記位置決めステージの下流側に配され、イオンビームを補足するファラデーカップと、
    前記ファラデーカップで補足されたイオンビームに基づく電流を計測する電流計測部と、を有するフィルター機器の調整方法であって、
    前記位置決めステージにおける前記イオンビーム機能性透過膜が配されていない位置に、イオンビームが通過するように配し、前記電流計測部で計測される電流が最大となるように前記位置決めステージの姿勢を調整する第１ステップと、
    前記第１ステップの後、前記位置決めステージによってビームライン中に前記イオンビーム機能性透過膜が配されようにし、前記電流計測部で計測される電流が最大となるように前記位置決めステージの姿勢を調整する第２ステップと、を有することを特徴とするフィルター機器の調整方法。
  18. 前記第２ステップの後、前記ファラデーカップをビームラインから外す第３ステップを有することを特徴とする請求項１３に記載のフィルター機器の調整方法。
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