(57)【要約】【課題】イオンビーム加速機構１００あるいはこれを用いたイオンビーム照射装置２００において、イオンビームの経路上で発生した２次電子の高電圧部等への到達を確実に阻止することができるとともに、設計や製造に負荷がかからず、加えて電極１の標準化を促進することができるようにする。【解決手段】電極１が、前記軸線Ｃに対して所定角度傾斜する傾斜板１３を有し、該傾斜板１３によって発生する傾斜電場によりイオンビームを螺旋状に進行させるものにおいて、出口ＯＵＴから射出されるイオンビームの位置及び進行方向を調整するための１以上の入口側調整電極１（１）及び１以上の出口側調整電極１（３）と、前記入口側調整電極１（１）及び出口側調整電極１（３）の間に配置された複数の中間電極１（２）とを設け、前記中間電極１（２）の軸線Ｃに対する回転方向の設置角度である方位角の位相差を、各隣り合う中間電極１（２）において３６０°を整数で割った単一の角度に設定した。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビームが導入される入口及びイオンビームが射出される出口と、中央部にイオンビームが通過する通過孔を有し、この通過孔が前記入口と出口とを結ぶ仮想直線である軸線上に並ぶように配置した複数の電極とを具備するとともに、前記電極が、前記軸線に対して所定角度傾斜する傾斜板を有し、該傾斜板によって発生する傾斜電場によりイオンビームを螺旋状に進行させるものであって、
出口から射出されるイオンビームの位置及び進行方向を調整するための１以上の入口側調整電極及び１以上の出口側調整電極と、前記入口側調整電極及び出口側調整電極の間に配置された複数の中間電極とを具備し、前記中間電極の軸線に対する回転方向の設置角度である方位角の位相差が、各隣り合う中間電極において３６０°を整数で割った単一の角度に設定されていることを特徴とするイオンビーム加速機構。
【請求項２】
全ての電極において、各隣り合う電極同士の方位角位相差が３６０°を整数で割った単一の角度に設定されていることを特徴とする請求項１記載のイオンビーム加速機構。
【請求項３】
電極にガス抜き孔を設けたものにおいて、該電極のガス抜き孔が、当該電極より１段又は２段低電圧側に配置された低電圧側電極における通過孔の中心から該低電圧側電極の傾斜板の法線方向に延伸した直線と当該電極とが交わる位置の逆半部の領域に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のイオンビーム加速機構。
【請求項４】
前記中間電極における傾斜板の軸線に対する角度である傾斜角が全て等しく設計されていることを特徴とする請求項１記載のイオンビーム加速機構。
【請求項５】
入口におけるイオンビームのエネルギーが２００ｋｅＶであり、
ビーム中心軸上の電極間隔が６０ｍｍ、電極厚み１０ｍｍ、電極１枚あたりの加速エネルギーが６０ｋｅＶであり、
各隣り合う電極同士の方位角位相差が６０°であり、
入口側調整電極は６枚で、それらの傾斜板の傾斜角が上流側から順に５°、５°、１０°、１５°、１５°、２０°であり、
中間電極における傾斜板の傾斜角が２０°であり、
出口側調整電極は３枚で、それらの傾斜板の傾斜角が上流側から順に２０°、０°、２０°であり、
かつ、各電極の方位角の製作角度誤差が２°以内であることを特徴とする請求項１記載のイオンビーム加速機構。
【請求項６】
請求項１〜５いずれか記載のイオンビーム加速機構を１以上備えたイオンビーム照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオンビームをＭｅＶオーダーの高エネルギーに加速することのできるイオンビーム加速機構及びイオンビーム照射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のイオンビーム加速機構（以下、加速管とも言う。）は、その前段に設けられている高電圧部から引き出されたイオンビームが通過する通過孔が中央に設けられた平板状の電極を、平行に多段配列した構成を有しており、各電極に適宜の電位を与えて電場を形成することによって、イオンビームのエネルギーを変更し、該イオンビームを加速させる。イオンビームとしては、例えば、Ｐ＋、Ａｓ＋、Ｂ＋等の正イオンが用いられる。なお、本明細書において加速とは、負方向の加速、すなわち減速も含む概念である。
【０００３】
ところで、前記加速管内は、原則的には真空に保たれているものの、ガス分子が残留している場合があり、この残留ガス分子等とイオンとの衝突によって２次電子が発生することがある。また、イオンビーム経路上での予期せぬ放電もしくはビームの壁面衝突によっても２次電子が発生することがある。
【０００４】
このようにして不測に発生した２次電子は、イオンビームとは逆極性の電荷を持つため、加速管内でイオンビームとは逆方向に加速され、加速管内の電極に衝突したり、場合によっては前記高電圧部まで到達することがある。
【０００５】
そうすると、高電圧部や加速管の電源には、元来の電流に加え、２次電子由来の電流が追加で流れて、電源容量への負荷となる。特に、イオンビームをＭｅＶオーダーの高エネルギーに加速することのできる加速管では、２次電子がイオンビームの加速エネルギーと同等の高エネルギーを持つこととなり、この高エネルギーを有した２次電子が高電圧部に逆流して到達した場合には、高電圧部の種々の構成要素（例えばイオン源等）が故障する可能性すらある。また、高電圧部に到達しないまでも、多段の電極を遡上して大きなエネルギーを持った２次電子が電極に衝突すると、放電による電圧破壊を引き起こすなどして、加速機構に不具合を及ぼすこともある。
【０００６】
この現象を防ぐ対策のひとつとして、加速管を構成する電極の全部又は一部を、加速管の軸線に対して種々の角度に傾斜させ、２次電子をイオンビーム軸から逸らして、遡上を防止し、イオン源に流れ込まないようにする工夫が考えられている（非特許文献１参照）。この非特許文献１では、各電極の傾斜方向は同じであるため、イオンビームは、加速管軸線方向から視て、横方向にはぶれることなく縦方向にのみ動きながら、つまり、波状に湾曲しながら進行する。
【０００７】
また、２次元的に電極を傾斜させて、すなわち、傾斜角のみならず傾斜方向も各電極で異ならせたものもある（特許文献１参照）。この特許文献には、最低一対以上の、３６０°ごとに逆向きの螺旋状に配置した傾斜電極構造が記載されており、この傾斜電極によって２次電子の行路長を短くし、イオン源への逆流を防いでいる。この文献では、電極を通過するビームの速度に応じて、電極１枚ごとの傾斜の向きを無段階に調整することで加速管出口におけるビーム位置及び進行角度のずれを無視できる水準としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許３３０４４５４号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】R. J. Van de Graaff et al, Nature 193 (1962) 1292, K. H. Purser etal, Rev. Sci. Inst. 36 (1965) 453
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前記非特許文献１に示された加速管を詳細に解析すると、電界がビーム加速軸と平行となる部分が残り、その部分から発生した電子がイオン源まで逆流して到達する可能性があることが判明した。図１にこの加減速管において発生した２次電子の軌道シミュレーション結果を示す。
【００１１】
より詳細に説明すると、非特許文献１の構成の場合、前述したように、イオンビームは、加速管軸線方向から視て、横方向にはぶれることなく縦方向にのみ波状に湾曲しながら進行するが、そうすると、加速管の途中で電極の傾斜角の反転が必要となり、その間に加速管軸線に垂直となる電極が必要となる。この垂直な電極の少し下流で発生した電子は、低速の間に一旦受けた偏向を、続く電極の逆向きの傾斜の中で修正を受けて加速され、加速後はあまり傾斜電界の影響を受けないため、上流まで通過してしまうものが出てくる。これでは、加速管や高電圧部へのダメージを十分に防ぐことができない。
【００１２】
また、前記特許文献１においては、イオンビームが加速管内を螺旋状に進行するように、螺旋傾斜電極を適用しているが、各電極が設置される方位角（加速管軸線に対する傾斜電極の回転方向の設置角度）を１枚ごとに異ならせなければならないうえ、各電極の方位角を、一定規則にはあてはまらない無段階の角度に設計しなければならないので、設計にかかる負荷が大きい。
【００１３】
加えて、各電極をそれぞれの固有の方位角に配設しなければならないということは、各電極の取付機構も、対応する電極の方位角に合わせた固有の構造がそれぞれ必要となり、製造にかかる負荷も大きくなる。
【００１４】
さらに、加速管の各電極に、該加速管内を円滑に排気するためのガス抜き孔を設ける場合には、傾斜電極によってビーム加速軸から逸らされた２次電子がガス抜き孔を通過して多段の電極を遡上する可能性がある。これによって２次電子の行路長が長くなり２次電子が衝突した電極に与える熱的負荷が大きくなるため、このガス抜き孔の配置に気をつける必要がある。ところが、この特許文献１の構成では、電極の１枚ごとに方位角変位差が異なるため、各電極においてガス抜き孔を個別に設計しなければならなくなり、電極の標準化を図れないという問題点も生じる。
【００１５】
そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、イオンビーム加速機構あるいはこれを用いたイオンビーム照射装置において、イオンビームの経路上で発生した２次電子の高電圧部等への到達を確実に阻止することができるとともに、設計や製造に負荷がかからず、加えて電極やその取付構造の標準化を促進することができるようにすべく図ったものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
すなわち、本発明に係るイオンビーム加速機構は、イオンビームが導入される入口及びイオンビームが射出される出口と、中央部にイオンビームが通過する通過孔を有し、この通過孔が前記入口と出口とを結ぶ仮想直線である軸線上に並ぶように配置した複数の電極とを具備するとともに、前記電極が、前記軸線に対して所定角度傾斜する傾斜板を有し、該傾斜板によって発生する傾斜電場によりイオンビームを螺旋状に進行させるものである。
【００１７】
そして、出口から射出されるイオンビームの位置及び進行方向を調整するための１以上の入口側調整電極及び１以上の出口側調整電極と、前記入口側調整電極及び出口側調整電極の間に配置された複数の中間電極とを具備し、前記中間電極の軸線に対する回転方向の設置角度である方位角の位相差が、各隣り合う中間電極において３６０°を整数で割った所定の角度に等しく揃えられていることを特徴とする。
【００１８】
このようなものであれば、入口側調整電極及び出口側調整電極を調整することにより、出口におけるイオンビームの位置及び進行角度のずれをなくしたまま、前記中間電極の方位角度設定を単一化し、螺旋回転方向を固定化することができる。したがって、イオンビーム加速機構の設計・製作における簡略化を図れる。すなわち、中間電極１枚ごとの方位角を等配としているので、例えば、電極周縁部に設けられているボルト挿通穴を等配に配置し、１枚ごとに１穴分ずつ回転させて電極取付台に取り付けるなどすればよく、その結果、設計・組み立てが容易となり、製作コストを抑えることができる。
【００１９】
設計・組み立ての容易化をさらに促進するには、全ての電極（入口側調整電極、出口側調整電極及び中間電極）において、各隣り合う電極同士の方位角位相差を、３６０°を整数で割った単一の角度にしておく、つまり各電極の方位角を等配にしておくことが好ましい。このようにすれば、全ての電極の取付機構を共通化できる。
部品の標準化を図るには、全ての中間電極の傾斜板の傾斜角を等しく揃えておくことが望ましい。
【００２０】
前記電極にガス抜き孔を設ける場合は、このガス抜き孔を通って高電圧側に遡上する２次電子をできるだけ阻止する必要がある。このためには、当該電極より１段又は２段、低電圧側に配置された低電圧側電極における通過孔の中心から該低電圧側電極の傾斜板の法線方向に延伸した仮想直線と、当該電極とが交わる位置の逆半部の領域にガス抜き孔を設けておけばよい。特に本発明によれば、各電極の方位角を等配にしているので、前記ガス抜き孔の位置も、各電極において同じ位置に設定することができ、部品の標準化を図ることができる。
【発明の効果】
【００２１】
このように本発明によれば、従来技術と比較して、イオンビームの加速途中に発生した不測の２次電子をより効果的かつ簡易な構造によって軸線から逸らし、高電圧部等に２次電子が逆流することを防ぐことができる。これにより、高電圧部等の電源容量に対する負荷をおさえるとともに、高エネルギーの電子による故障を防ぐことができる。また、中間電極１枚ごとの方位角を等配としているので、製造時のコストを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来技術における加速管内で発生した２次電子の軌道シミュレーション結果である。
【図２】本発明の一実施形態におけるイオン照射装置の全体を示す模式図である。
【図３】同実施形態における電極を示す正面図及び縦断面図である。
【図４】同実施形態における電極の方位角を示す正面図である。
【図５】同実施形態の電極を配置した状態を示す斜視図である。
【図６】同実施形態おける入口側調整電極の傾斜角を示す模式図である。
【図７】同実施形態おける出口側調整電極の傾斜角を示す模式図である。
【図８】同実施形態におけるイオンビーム加速機構において、発生した２次電子の軌道を示すシミュレーション結果図である。
【図９】同実施形態における電極にガス抜き孔を設ける場合のガス抜き孔配置例を示した電極の正面図である。
【図１０】同実施形態におけるイオンビーム加速機構において、イオンビーム軌道のシミュレーション結果をグラフ化した図である。それぞれ、軸線（ビーム加速軸線）方向の位置に対する横方向と縦方向の軌道形状及び速度成分である。
【図１１】同実施形態におけるイオンビーム加速機構において、入口側調整電極の傾斜角を上流側から順に、５°、１０°、１０°、２０°、２０°、２０°に変更した場合のイオンビーム軌道のシミュレーション結果をグラフ化した図である。図１０と同様、ビーム加速軸方向の位置に対する横方向と縦方向の軌道形状及び速度成分である。
【図１２】同実施形態におけるイオンビーム加速機構において、初段の電極１の方位角が、設定よりも最大２°ずれた場合のビーム軌道シミュレーション結果である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
【００２４】
本実施形態に係るイオンビーム加速機構１００は、図２に示すように、イオンビームが通過する通過孔１ａを中央部に有した複数枚の電極１を具備し、この電極１に所定電圧を印加して静電場を形成することによってイオンビームを加速するものであって、ここでは、高電圧部Ｋのイオン源２０１で発生させたイオンを引き出してターゲットに照射するイオンビーム照射装置２００に用いられている。
【００２５】
具体的に説明すると、このイオンビーム加速機構１００には、イオンビームが導入される入口ＩＮとイオンビームが射出される出口ＯＵＴとが設定してあり、これら入口ＩＮ及び出口ＯＵＴ間に、複数の前記電極１が所定間隔で並び設けられている。
【００２６】
電極１は、図３に示すように、円環状をなす取付板１１と、取付板１１の内周縁から立ち上がる起立壁１２と、起立壁１２の先端面に周縁を支持された概略円形状の傾斜板１３とを一体に具備した金属製のものであり、図２に示す電圧源ＶＳ１に接続されて、所定の電圧が印加されることにより、イオンビームを螺旋状に進行させる螺旋電場を主として傾斜板１３によって形成する。
【００２７】
各電極１の取付板１１は、前記入口ＩＮ及び出口ＯＵＴの各中心を通る仮想的な直線である軸線Ｃに対し、垂直となり、かつ、その中心が軸線Ｃ上に乗るように配設してある。
【００２８】
前記取付板１１には、ボルトを通すためのボルト挿通孔１１ａが等間隔に複数（ここでは６０°毎に６個）設けられており、図示しない円環状の取付台に設けたねじ穴に、ボルト挿通孔１１ａを通したボルトを締結することで、電極１を前記取付台に固定できるように構成してある。ここでは、ねじ穴も同様に６０°毎に６個設けてあり、対応するボルト挿通孔１１ａとねじ穴とを変えることで、図４に示すように、電極１の軸線Ｃに対する回転方向の取付角（以下、方位角と言う。）γを、６０°を単位として段階的に変更することができるようにしてある。
【００２９】
つまり、この実施形態では、電極１の取付板１１に設けたボルト挿通孔１１ａと、前記取付台に設けたねじ穴とから構成される電極取付構造によって、３６０°を６で割った方位角毎に、電極１を段階的に配設することができるようにしてある。
【００３０】
なお、ねじ穴とボルト挿通孔の個数は６個に限られないし、それらが互いに同数である必要もない。例えば、ねじ穴数を１２、ボルト挿通孔数を６にすれば、３０°毎に電極の方位角を変えることができる。
【００３１】
ただし、かかる電極取付構造においては、ねじ穴及びボルト挿通孔１１ａの配設個数に、その大きさによる物理的な上限があるため、電極１の方位角を変える最小単位角度は、実際には、せいぜい５°程度であろう、つまり、３６０°を、例えば７２以下の整数で割った角度が、方位角の変更単位となろう。
【００３２】
前記傾斜板１３は、図３に示すように、概略円形状をなすものであり、軸線Ｃに対して所定角度θ（以下、傾斜角θとも言う。）だけ傾斜させてある。そして、この傾斜板１３に前記通過孔１ａが貫通させてある。なお、通過孔１ａはその中心が電極１の中心（取付板１１の中心）に合致するように設けてある。
このように構成した電極１は、図４、図５に示すように、入口ＩＮ側から順に６０°ずつ、方位角γをずらせながら配設してある。
【００３３】
次に電極１の種類について述べる。
この実施形態では、３種類の電極１がある。なお、以下でこれら電極１を区別する必要があるときは（１）などを付すこととする。
【００３４】
１つは、複数の入口側調整電極１（１）であり、もう１つは、複数の出口側調整電極１（３）であり、残りは、前記入口側調整電極１（１）及び出口側調整電極１（３）の間に配置された複数の中間電極１（２）である。
【００３５】
入口側調整電極１（１）及び出口側調整電極１（３）は、出口ＯＵＴから射出されるイオンビームの位置及び進行方向を調整するためのものである。
【００３６】
入口側調整電極１（１）は、傾斜板１３のみを表した模式図６に示すように、ここでは、例えば６つを設けている。これら入口側調整電極１（１）における傾斜板１３の傾斜角θは、上流側から順にそれぞれ５°、５°、１０°、１５°、１５°、２０°に設定してある。なお、図６には、入口ＩＮに設けた初段の電極１（１）よりもさらに上流側に電極が配置されているが、これは、本イオンビーム加速機構１００の前段に設けられた別の加速機構の電極であり、この別の加速機構によって、本イオンビーム加速機構１００に進入するイオンビームの初期エネルギーが与えられる。
【００３７】
出口側調整電極１（３）は、傾斜板１３のみを表した模式図７に示すように、ここでは３つを設けている。これら出口側調整電極１（３）における傾斜板１３の傾斜角θは、上流側から順にそれぞれ２０°、０°、２０°に設定してある。なお、図７には、出口ＯＵＴに設けた終段の電極１よりもさらに下流側に電極が配置されているが、これは、本イオンビーム加速機構１００の後段に設けられた別の加速機構の電極である。
【００３８】
中間電極１（２）は全て同形状をなし、つまり、傾斜板１３の傾斜角θが、全て等しく２０°に揃えられている。中間電極１（２）の枚数は、イオンビームに与えるべき加速エネルギーとの兼ね合いで定められる任意の枚数でよく、ここでは例えば３２枚に設定している。
次に、このように構成した本イオンビーム加速機構１００のシミュレーション結果を説明する。
【００３９】
まず、図８に、１段分の電極区間で発生した２次電子が電極１にさえぎられる様子を示す。なお、この図８でも電極１は傾斜板１３のみを示している。傾斜板１３によって電界が軸線Ｃに対して角度を持っているため、発生した２次電子は軸線Ｃの外にそらされ、１〜２枚高電圧側の電極１でとどまる。電極１の傾斜は１段ごとに軸Ｃの周りに回転対称であるため、各電極１のほぼ全域で同様に２次電子をさえぎることができる。
【００４０】
さらにこのことから、電極１にガス抜き孔を設ける場合は、ガス抜き孔を電極傾斜方向とは逆向きに配置することで、ガス抜き孔を電子が通過し電子の行路長が伸びることを防ぐことができることがわかる。より、具体的には、図９に示すように、当該電極１より１段又は／及び２段低電圧側に配置された低電圧側電極１における通過孔１ａの中心から該低電圧側電極１の傾斜板１３の法線方向に延伸した仮想直線と、当該電極１とが交わる位置Ｘの逆半部の領域にガス抜き孔２を設けておけばよい。前記位置Ｘを中心とした領域に、当該電極に低電圧側電極の２次電子が衝突するからであり、その衝突領域を避けてガス抜き孔２を設ければよいということになる。
【００４１】
次に、図１０に、以下の条件で本加速機構１００を動作させた場合の、イオンビームの軌道をシミュレーションした結果を示す。
傾斜板の軸線上での間隔・・・６０ｍｍ
傾斜板の厚み・・・１０ｍｍ
入口におけるイオンビームのエネルギー・・・２００ｋｅＶ
電極１枚あたりの加速エネルギー６０ｋｅＶ
中間電極の枚数・・・３２
出口におけるイオンビームのエネルギー・・・２．６６ＭｅＶ
イオンビーム・・・１１Ｂ＋
電流・・・３０ｍＡ
イオンビームの初期断面形状・・・φ２０平面円断面（初期発散、エミッタンス無し）
【００４２】
このシミュレーション結果から、イオンビームは加速機構１００の中央部をわずかに蛇行しながら進行し、出口ＯＵＴからほぼ平行に放出されることがわかる。
【００４３】
図１１に参考として、入口側調整電極１（１）の６枚の傾斜角が、上流側から順に５°、５°、１０°、２０°、２０°、２０°で、他の条件は、図１０と同様のモデルを使用した場合のイオンビームの軌道計算結果を示す。
【００４４】
イオンビームが本加速機構１００内を傾斜して進行し、出口ＯＵＴから角度を持って放出されることがわかる。本加速機構１００を通過後のビーム軌道は軸線Ｃに平行であることが望ましいので、これを満たすためには、入口側調整電極１（１）及び出口側調整電極１（３）の傾斜角を調整すればよいことがわかる。
【００４５】
図１２に、最初の電極１の傾斜板の方位角を２°ずらした場合のビーム軌道シミュレーション結果を示す。このことにより、これ以上ずれるとビームが電極の壁面と衝突する可能性があることがわかった。
【００４６】
また、これよりも下流の電極の角度が同程度ずれた場合は、ビームのずれは、これより小さくなるので、このモデルにおいて、製作時の傾斜角の許容誤差は、最大２°と考えられる。
なお、本発明は、前記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【００４７】
例えば、前記実施形態でも触れたが、このイオンビーム加速機構の前後に別のイオンビーム加速機構を連設して、イオン照射装置を構成しても構わないし、逆にイオンビーム照射装置において、実質的にイオンビームを加速する部分を、本イオンビーム加速機構のみから構成しても構わない。
【００４８】
タンデム型と称され、途中に負イオンを正イオンに変換するストリッパー（高電圧部でもある。）が設けられたイオンビーム照射装置においては、ストリッパーの前後に本イオンビーム加速機構を設けることが好ましい。
また、電極の枚数や傾斜角、あるいは方位角度の最小変更単位なども、種々設定可能であるし、電極の構造も前記実施形態の態様に限られるものではない。
【符号の説明】
【００４９】
２００・・・イオンビーム照射装置。
１００・・・イオンビーム加速機構
ＩＮ・・・入口
ＯＵＴ・・・出口
１・・・電極
１（１）・・・入口側調整電極
１（３）・・・出口側調整電極
１（２）・・・中間電極
１３・・・傾斜板
１ａ・・・通過孔
Ｃ・・・軸線
θ・・・傾斜角
γ・・・方位角
２・・・ガス抜き孔
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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