(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口部を有する筐体であって、前記開口部から入射した粒子のエネルギーに応じた熱量を発生するファラディカップと、
所定の基準温度を提供する熱浴部と、
前記発生した熱量を原因とする前記ファラディカップの温度変化を、前記基準温度に基づいて検出し、当該温度変化に応じた電気信号を発生する熱流検出器と、
を具備することを特徴とするカロリーメータ。
【請求項２】
前記ファラディカップ、前記熱浴部、前記熱流検出器を内蔵し、動作時に内部が真空状態に維持される真空チェンバーをさらに具備することを特徴とする請求項１記載のカロリーメータ。
【請求項３】
前記熱流検出器は、前記ファラディカップの底部に複数設けられていることを特徴とする請求項１記載のカロリーメータ。
【請求項４】
前記複数の熱流検出器は、前記ファラディカップの底部に当該底部の中心に関して対称に設けられていることを特徴とする請求項３記載のカロリーメータ。
【請求項５】
前記ファラディカップは電気的に絶縁されており、
前記熱流検出器は電気的及び熱的に絶縁されていること、
を特徴とする請求項１記載のカロリーメータ。
【請求項６】
前記ファラディカップに電気的に接続された電気信号検出器をさらに具備し、
前記ファラディカップが前記開口部から荷電粒子を入射して電気信号を発生した場合には、前記電気信号検出器によって電気信号を検出し、
前記ファラディカップが前記開口部から中性粒子を入射して前記熱量を発生した場合には、前記熱流検出器によって電気信号を検出すること、
を特徴とする請求項１記載のカロリーメータ。
【請求項７】
加速粒子を発生する粒子発生源と、
前記粒子発生源が発生した加速粒子を検出するカロリーメータと、
前記カロリーメータの加速粒子通過領域を真空にするための真空ポンプと、
を具備する検出器システムであって、
前記カロリーメータは、開口部を有する筐体であって、前記開口部から入射した粒子のエネルギーに応じた熱量を発生するファラディカップと、
所定の基準温度を提供する熱浴部と、
前記発生した熱量を原因とする前記ファラディカップの温度変化を、前記基準温度に基づいて検出し、当該温度変化に応じた電気信号を発生する熱流検出器と、
を有すること、
を特徴とする検出器システム。
【請求項８】
前記カロリーメータは、前記ファラディカップ、前記熱浴部、前記熱流検出器を内蔵し、動作時に前記真空ポンプにて内部が真空状態に維持される真空チェンバーをさらに有することを特徴とする請求項７記載の検出器システム。
【請求項９】
前記熱流検出器は、前記ファラディカップの底部に複数設けられていることを特徴とする請求項７記載のカロリーメータ。
【請求項１０】
前記複数の熱流検出器は、前記ファラディカップの底部に当該底部の中心に関して対称に設けられていることを特徴とする請求項７記載の検出器システム。
【請求項１１】
前記ファラディカップは電気的に絶縁されており、
前記熱流検出器は電気的及び熱的に絶縁されていること、
を特徴とする請求項７記載の検出器システム。
【請求項１２】
前記ファラディカップに電気的に接続された電気信号検出器をさらに具備し、
前記ファラディカップが前記開口部から荷電粒子を入射して電気信号を発生した場合には、前記電気信号検出器によって電気信号を検出し、
前記ファラディカップが前記開口部から中性粒子を入射して前記熱量を発生した場合には、前記熱流検出器によって電気信号を検出すること、
を特徴とする請求項７記載の検出器システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートフラックスセンサを用いたカロリーメータ、及び当該ビームカロリーメータを具備する検出器システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、物質に入射した荷電粒子は、物質中の原子や分子を励起させ、或いは物質中の原子や分子の軌道電子を励起、電離させながら減速し、その全エネルギーを消費する。ビームカロリーメータとは、この粒子が減速する過程で物質に発生する全熱量（カロリー）を計測することにより、入射した粒子のエネルギーを計測する装置である。
【０００３】
従来のビームカロリーメータは、大きく二つのタイプに分けることができる。一方は、大きい熱抵抗材料を熱的に挟んだ二つの部位間において、粒子が完全に停止するまでに賦与された熱によって上昇した温度差を測定することで全熱量を測定するものである。他方は、所定部位の温度を水等により一定に保つために必要な電力を増減することで全熱量を測定するものである。特に天体物理学の分野では、前者の構造を持つカロリーメータにおいて、二つの部位の温度差を一定に保つように、一方の部位を水或いはペルチェ素子によって冷却し、他方の部位をダーリントンパワートランジスタ（Ｄａｒｌｉｎｇｔｏｎ  ｐｏｗｅｒ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を使って熱する手法がとられている。
【０００４】
しかしながら、上述した従来の装置にて電荷を持たない中性化された粒子（以下、「中性粒子」と称する）のビームを測定する場合、次のような問題が生じる。すなわち、中性粒子のビームの強度の測定においては、当該ビームによって持ち込まれる熱をそれと等価な電流によって保証しなければならない。この等価な電流は、従来の装置に従えば、装置に常時電流を流し、その変化を測定することで検出される。そのため、従来の装置においては、常時電流を流すための電流源、及び一定温度に制御するためのフィードバック系が必要であり、電気回路が複雑になっていた。その結果、低コスト化を図ることも困難であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたもので、複雑な電気回路を必要とせず、比較的簡易な方法にて中性粒子の強度を高精度で測定可能なカロリーメータ、及び当該カロリーメータを具備する検出器システムを提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、次のような手段を講じている。
【０００７】
本発明の第１の視点は、開口部を有する筐体であって、前記開口部から入射した粒子のエネルギーに応じた熱量を発生するファラディカップと、所定の基準温度を提供する熱浴部と、前記発生した熱量を原因とする前記ファラディカップの温度変化を、前記基準温度に基づいて検出し、当該温度変化に応じた電気信号を発生する熱流検出器と、を具備することを特徴とするカロリーメータである。
【０００８】
本発明の第２の視点は、加速粒子を発生する粒子発生源と、前記粒子発生源が発生した加速粒子を検出するカロリーメータと、前記カロリーメータの加速粒子通過領域を真空にするための真空ポンプと、を具備する検出器システムであって、前記カロリーメータは、開口部を有する筐体であって、前記開口部から入射した粒子のエネルギーに応じた熱量を発生するファラディカップと、所定の基準温度を提供する熱浴部と、前記発生した熱量を原因とする前記ファラディカップの温度変化を、前記基準温度に基づいて検出し、当該温度変化に応じた電気信号を発生する熱流検出器と、を有すること、を特徴とする検出器システムである。
【０００９】
このような構成によれば、複雑な電気回路を必要とせず、比較的簡易な方法にて中性粒子の強度を高精度で測定可能なカロリーメータ、及び当該カロリーメータを具備する検出器システムを実現することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
【００１１】
図１は、本実施形態に係るカロリーメータを具備する検出器システム１０の構成図を示している。まず、検出器システムの概略構成を、図１を参照しながら説明する。
【００１２】
検出器システム１０は、ＲＦ電源１１、イオン源１２、運動量分析用電磁石１３、Ｑ−マグネット１４、コリメータ１５、真空ポンプ１６、カロリーメータ１８、ガスクリーニング部２０を具備している。
【００１３】
ＲＦ電源１１は、例えば１０ＭＨｚの高周波（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｗａｖｅ）をイオン源１２に印加する。
【００１４】
イオン源１２は、ＲＦ電源１１からの高周波により、所定気圧の水素或いは重水素或いはヘリウム等の気体を放電させ、当該放電により得られたプラズマよりイオンをビームとして放出する。
【００１５】
運動量分析用電磁石１３は、磁場中の曲がり方から荷電粒子の運動量を検出するための、例えば一様磁場の扇形電磁石である。当該運動量分析用電磁石１３は、磁場により粒子がＱ−マグネット１４に入射するようにビームの方向を変える。
【００１６】
Ｑ−マグネット１４は、ビーム集束用の４極電磁石（Ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ  Ｍａｇｎｅｔ）である。すなわち、Ｑ−マグネット１４は４つの極をもち、その磁場は中心軸上でゼロ、磁場の傾斜は一定となっている。当該Ｑ−マグネット１４に入射した粒子ビームは磁場からの力を受け、中心軸上に沿うように集束される。
【００１７】
コリメータ１５は、方向やエネルギーが所望するものとずれたビーム成分を除去、或いはイオンビームを必要な細さに絞るための装置である。
【００１８】
真空ポンプ１６は、気体分子をビーム通過領域から取り除き、当該領域を真空状態にする。一般に、真空ポンプには移送式ポンプ、ため込み式ポンプ等の形態があるが、何れの形態であってもよい。なお、ビーム通過領域を真空とするのは、ビームの通過軌道に残留ガスがあると、これがビームと衝突することによりビームが理想的な通過軌道より外れてしまい、その結果、ビーム中の粒子数が減少してビームの寿命を短くしてしまうからである。
【００１９】
カロリーメータ１８は、この粒子の減速停止に基づいて物質に発生する全熱量（カロリー）を計測することにより、入射した粒子のエネルギーを計測する装置である。本カロリーメータ１８の構成については、後で詳説する。
【００２０】
標的領域１９は、カロリーメータ１８の前段に配置される入射ビームの標的となる領域である。この標的領域１９には、所要圧力の標的ガスが注入される。
【００２１】
ガスクリーニング部２０は、カロリーメータ１８内のガスを純化する。
【００２２】
（カロリーメータ）
カロリーメータ１８の構成について、更に詳しく説明する。
【００２３】
図２は、カロリーメータ１８の概略構成を示した図である。カロリーメータ１８は、図２に示すように、ファラディカップ１８１、ヒートフラックスセンサ１８２、熱浴部１８３、真空チェンバー１８４を有している。
【００２４】
ファラディカップ１８１は、入射粒子を直接電流として検出するための検出器であり、また、入射粒子の総エネルギーを熱に変換するための装置である。ファラディカップ１８１は、例えば、一端が開口した金属からなる円筒形の箱構造を有しており、図示していない微小電流計と、及びヒートフラックスセンサ１８２と接続されている。ファラディカップ１８１の開口から箱内に入射した荷電粒子の数は、当該微小電流計により、電流として検出される。また、ファラディカップ１８１の開口から箱内に入射した中性粒子の数は、ヒートフラックスセンサ１８２により熱として検出され電気信号に変換される。
【００２５】
なお、ファラディカップ１８１には、入射した荷電粒子により発生する電気量を精度よく測定するため、電気的絶縁が十分なされている。また、ファラディカップ１８１には、熱絶縁性を良好にするため、例えばファラディカップ１８１及びその周縁部を熱の不良導体にて被覆されている。
【００２６】
また、ファラディカップ１８１は、超高真空用のパッキングによって漏れのない構造となっている。さらに、このファラディカップ１８１には、二次電子及び二次イオンによる影響を補正する一般的な処置、例えば当該カップ内を所定の電位に保ち、二次電子等がファラディカップ１８１内に戻る等の処置が施されている。ここで、二次電子或いは二次イオンとは、ビームがファラディカップ１８１に入射した際放出される電子或いはイオンのことであり、測定誤差の要因となるものである。
【００２７】
ヒートフラックスセンサ１８２は、固体内の熱伝導による熱流或いは熱流密度を電気信号として検出するための検出器であり、例えばファラディカップ１８１の底部に設けられる。その数や位置には特に制限はないが、精度向上の観点から、例えばファラディカップ１８１の底面に設ける場合には、その中心を基準として対称に配列することが好ましい。また、複数のヒートフラックスセンサ１８２を設けた場合には、それぞれの出力を取り出すことで粒子の強度分布を測定することが可能となる。
【００２８】
ヒートフラックスセンサ１８２は、例えば薄板状のヒートフラックスセンサ１８２であれば、有機多孔質物質、シリコンゴム、エポキシガラスクロス、セラミックス、空気層等からなる薄層の両面の温度差を、熱電対列にて電気信号として検出する。なお、ヒートフラックスセンサ１８２は、ファラディカップ１８１に設けられることから、例えばその両面が絶縁体で挟持されている等電気的に絶縁された構造となっている。さらに、ファラディカップ１８１からの熱伝達を精度良く検出するために、熱的にも絶縁された構造をもつ。
【００２９】
熱浴部１８３は、例えば水冷式等の冷却機能をもつ熱源であり、ヒートフラックスセンサ１８２による熱測定の基準温度を提供する。水冷の為の通路は、真空中での測定を可能とするため銀蝋付けされている。なお、当該熱浴部１８３には、必要に応じて銅等からなるヒートシンクを設けてもよい。
【００３０】
真空チェンバー１８４は、ファラディカップ１８１、ヒートフラックスセンサ１８２、熱浴部１８３を内蔵する筐体である。真空チェンバー１８４内部は、実験時には真空ポンプ１６によって真空状態とされる。
【００３１】
なお、本カロリーメータ１８は、その熱容量を少なくするため、金属の重量を出来る限り少なくし、有機物やセラミック等の絶縁物を多く使用している。また、水冷のためのホース１８５には、電気的絶縁の観点から、テフロンチューブが使用されている。
【００３２】
次に、上記構成を有する検出器システム１０によって、荷電粒子のエネルギーを測定する場合及び中性粒子のエネルギーを測定する場合について、それぞれ説明する。
【００３３】
荷電粒子ビームを測定する場合には、まず、荷電粒子ビームがイオン源１２から発せられる。荷電粒子ビームは、運動量分析用電磁石１３によってその軌道を変えられ、Ｑ−マグネット１４によって集束を受け、コリメータ１５によってコリメートされる。こうしてカロリーメータ１８のファラディカップ１８１に入射した荷電粒子ビームは、電気信号として図示していない微小電流計によって検出される。荷電粒子の総電気量（或いは総電流量）は、この電気信号によって測定される。
【００３４】
また、中性粒子ビームを測定する場合には、カロリーメータ１８のファラディカップ１８１に入射した中性粒子ビームは、当該ファラディカップ１８１によって熱に変換される。ヒートフラックスセンサ１８２は、この熱によるファラディカップ１８１の上昇を熱浴部１８３の温度を基準として検出し、当該上昇に応じた電気信号を発生する。中性粒子のエネルギーは、この電気信号によって測定される。
【００３５】
（実施例）
本発明者らは、ヒートフラックスセンサ１８２の応答を１．００〜１．１１μＶ／Ｗ／ｍ２とし、１〜３０Ｗの強度を持つビームが測定可能な検出器システム１０について、精度評価を行った。すなわち、４０ｋｅＶにてイオンビームを真空中を通過させ、その強度をカロリーメータ１８をファラディカップとして測定した結果と、ヒートフラックスセンサ１８２を使用して測定した結果とを比べることによって較正し、その精度を評価した。
【００３６】
まず、本カロリーメータ１８において、入射イオンビーム強度（Ｉ）と熱に変換された熱流（Ｈ）との関係は、次のようになる。
【００３７】
Ｉ＝ｋ１・Ｈ＋Ｃ・δＴ／δｔ            （１）
Ｔはカロリーメータ１８の温度、Ｃはその熱容量、ｋ１は比例定数である。ここで、温度の変化と熱流の変化との間には比例関係が成り立つ。その比例定数をｋ２とすれば、式（１）の第２項のＣ・δＴはｋ２δＨと書くことが出来る。従って、式（１）は次の式（２）の様になる。
【００３８】
Ｉ＝ｋ１・Ｈ＋ｋ２・δＨ／δｔ          （２）
ｋ１及びｋ２は既述の如く比例定数であり、装置の特性によって異なるパラメータである。本カロリーメータ１８に関するパラメータｋ１及びｋ２を決定するため、本検出器システム１０にて４０ｋｅＶの３Ｈｅのイオンビーム強度を測定する。このとき、以下の条件を仮定する。
【００３９】
（１）ビームＩ及び温度Ｔが安定しているところでは、式（１）の第２項を無視することができる。この状態で、パラメータｋ１を決定する。
【００４０】
（２）パラメータｋ１を決定した後、ビームが変動している領域でパラメータｋ２を決定する。
【００４１】
図３は、本検出器システム１０によって測定したビームカレントとファラディカップにより測定したビームカレントとの差を示したグラフである。図３に示すように、双方のビームカレント間の差は２％であり、高精度であることがわかった。
【００４２】
また、本発明者らは、上記検出器システム１０の再現性を評価するため、異なるエネルギーのイオンビームにて同様の測定を行った。すなわち、３５、３０、２５、２０ｋｅＶの各電圧にてイオンビームを真空中を通過させ、その強度をカロリーメータ１８をファラディカップとして測定した結果と、ヒートフラックスセンサ１８２を使用して測定した結果とを比べることによって較正し、その再現性を評価した。なお、パラメータｋ１及びｋ２については、上記４０ｋｅＶの場合の値を使用した。
【００４３】
図４、５、６、７は、それぞれイオンビームのエネルギーを３５、３０、２５、２０ｋｅＶとした各場合について、ビームカレント間の差を示したグラフである。各図に示すように、双方のビームカレント間の差は２％であり、本検出器システム１０は高い再現性を有することがわかった。
【００４４】
なお、実際の実験にて本検出器システム１０を使用する場合には、標的領域１９に所要の圧力、例えば０．１Ｔｏｒｒ以下、（但し、１Ｔｏｒｒは約１３，３Ｐａ或いは約１．３×１０−４ａｔｍ）のガスを導入する。
【００４５】
しかしながら、この標的ガスによって伝達される熱量は極めて小さく、上記各評価に影響を与えるものではない。さらに、発明者らの実験によって、熱量測定にて９９％以上の熱がヒートフラックスセンサ１８２を介して伝達されていることが確かめられている。
【００４６】
以上述べた構成によれば、以下の効果を得ることができる。
【００４７】
本検出器システム１０によれば、高精度のヒートフラックスセンサ１８２を有するカロリーメータ１８によって、電荷を持たない中性粒子であっても高精度にて容易に検出することができる。また、カロリーメータ１８の構造は簡易であるから、装置のコストを低下させることができる。
【００４８】
本カロリーメータ１８は、ファラディカップ１８１に発生した電気信号を検出するシステムと、ファラディカップ１８１に発生した熱変化を検出するシステムとを有している。従って、状況に応じて、荷電粒子ビーム測定及び中性粒子ビーム測定を同一の装置にて実行することが可能である。
【００４９】
以上、本発明を実施形態に基づき説明したが、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変形例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。例えば、上記実施例においては、１〜３０Ｗの測定性能を持つカロリーメータを例に説明した。当然ではあるが、本発明はこれに限定されない。すなわち、本発明の技術的思想によれば、さらに大容量或いは小容量のカロリーメータも容易に実現することができる。
【００５０】
また、各実施形態は可能な限り適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組合わせた効果が得られる。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果の少なくとも１つが得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【００５１】
【発明の効果】
以上本発明によれば、複雑な電気回路を必要とせず、比較的簡易な方法にて中性粒子の強度を高精度で測定可能なカロリーメータ、及び当該カロリーメータを具備する検出器システムをを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本実施形態に係るカロリーメータを具備する検出器システム１０の構成図を示している。
【図２】図２は、カロリーメータ１８の概略構成を示した図である。
【図３】図３は、イオンビームのエネルギーを４０ｋｅＶとした場合、本検出器システム１０によって測定したビームカレントとファラディカップにより測定したビームカレントとの差を示したグラフである。
【図４】図４は、イオンビームのエネルギーを３５ｋｅＶとした場合、本検出器システム１０によって測定したビームカレントとファラディカップにより測定したビームカレントとの差を示したグラフである。
【図５】図５は、イオンビームのエネルギーを３０ｋｅＶとした場合、本検出器システム１０によって測定したビームカレントとファラディカップにより測定したビームカレントとの差を示したグラフである。
【図６】図６は、イオンビームのエネルギーを２５ｋｅＶとした場合、本検出器システム１０によって測定したビームカレントとファラディカップにより測定したビームカレントとの差を示したグラフである。
【図７】図７は、イオンビームのエネルギーを２０ｋｅＶとした場合、本検出器システム１０によって測定したビームカレントとファラディカップにより測定したビームカレントとの差を示したグラフである。
【符号の説明】
１０…検出器システム
１１…ＲＦ電源
１２…イオン源
１３…運動量分析用電磁石
１４…マグネット
１５…コリメータ
１６…真空ポンプ
１８…カロリーメータ
１９…標的領域
２０…ガスクリーニング部
１８１…ファラディカップ
１８２…ヒートフラックスセンサ
１８３…熱浴部
１８４…真空チェンバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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