(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビームをターゲット上で渦巻き状に走査させるイオンビーム照射方法であって、
ｔが時間を、Ｒmaxが走査最大半径を、Ｒminが走査最小半径を、ｖ0が走査速度を、Ｎが走査回転数をそれぞれ表すとして、
イオンビームの走査半径ｒ（ｔ）及び走査角振動ω（ｔ）のそれぞれの時間的変化が、
【数１０】
0003563226.tif 000010
であるようイオンビームをターゲット上で渦巻き状に走査させ、広い範囲に渡ってイオンのフルエンス分布を均一化するイオンビーム照射方法。
【請求項２】
互いに実質的に直交して配置された２台の偏向電磁石を用い、当該２台の偏向電磁石のコイル電流の時間変化に関して、包絡線及び周期を互いに実質的に同じにし、且つ位相を実質的に９０度異なるようにして、前記式に基づくイオンビームの渦巻き状の走査を行う請求項１記載のイオンビーム照射方法。
【請求項３】
前記イオンビームのビームスポットの粒子強度分布が二次元的なガウス分布であり、当該ビームスポットの粒子強度分布の半値幅をＦＷＨＭとすると、Ｒmin／ＦＷＨＭが０．３以下である請求項１又は２記載のイオンビーム照射方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオンビームのターゲットへの照射方法に関し、特に照射の均一化に関する。イオンビームの照射は、新機能材料の開発や物質の持つ物理的・化学的・生物学的な特性の研究において必要な研究手段の一つである。例えば、その分野としては、半導体、新機能有機・無機材料、バイオ技術、粒子線治療などがある。
【０００２】
【従来の技術】
従来の方法の一つに、二連に設置された薄い金属箔からなる散乱体にイオンビームを通すことにより中心付近のイオンを外側に、端に近いイオンを内側に散乱させてビーム強度分布の均一化を図る方法がある。この方法は最も簡便な方法として用いられているが、軽イオンの場合には散乱効果が小さいこと、重イオンの場合には散乱体でのエネルギー損失によるエネルギー幅の悪化が大きく、またイオンの電荷数が変化する確率が高いこと、さらに散乱体がイオンとの原子核反応によって放射化することなどの欠点がある。
【０００３】
また、従来の別の方法の一つに、二連の偏向電磁石を用いて互いに垂直な方向にイオンビームを周期的に偏向し、一方の偏向周波数を他方の整数倍に設定することによってラスター走査による大面積のフルエンス分布の均一化を図る方法がある。この方法は、ビームの連続的な照射が可能である。照射野の形状が矩形であるが、条件によっては照射野端部の均一性が悪くなるという問題がある。
【０００４】
さらに、別の従来方法として、二連の偏向電磁石を用いて互いに垂直な方向にイオンビームを周期的に偏向するのは上記の後者の方法と同様であるが、位相を互いに９０度ずらすことにより一定半径で円形状にビームを走査し、断続的にその半径を何点か変えることによって大面積のフルエンス分布の均一化を図るワブリングと呼ばれている方法がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このワブリングと呼ばれる方法は、ビームを一旦停止して走査半径を変える必要があるため、直流もしくは短周期のビームに対してはビームの遮断機器が必要となり、直流ビームやサイクロトロンビームのような短い周期のパルスビームの連続照射には適していない。また、フルエンス分布の均一化を図るためには走査半径毎の照射量（ビーム電流×時間）の精密な調整が必要となるなどの問題が生じていた。
【０００６】
本発明の課題は、連続ビームを断続的に遮断することなく、円形状の大面積ターゲットを均一に照射することが可能となるイオンビーム照射方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のイオンビーム照射方法は、周期的に時間変化させる２台の偏向電磁石を用い、当該電磁石のコイル電流の振幅と周期とを無理関数的に変化させることによって、イオンビームをターゲット上でスパイラル（渦巻き）状に走査させ、その結果連続ビームを断続的に遮断することなく、且つ広い範囲に渡って円形状に均一照射、即ちイオンのフルエンス分布が均一化されることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
始めに本発明の方法の原理について説明する。本発明の方法では、二連の偏向電磁石を用いて互いに垂直な方向にイオンビームを周期的に偏向させるが、ビーム走査軌道の半径方向の間隔と走査速度が一定となるように偏向強度（なお、これは電磁石に通電するコイル電流値の大きさに対応する。）と周波数を無理関数的に変化させることによって照射野全体のフルエンス分布の均一化を図る。二連の偏向電磁石を用いた本発明のスパイラル・ビーム走査方法によるイオンビームの大面積均一照射システムの概念図を図１に示す。
【０００９】
図１において、イオン加速器（図示せず）により加速された、例えば直流あるいは１０−９〜１０−３秒のパルス周期を有するイオンビーム１０は、Ｘ方向に偏向されるためＸ方向偏向電磁石１２を通り、次いでＹ方向に偏向されるためＹ方向偏向電磁石１４を通って、照射試料１６に照射される。
【００１０】
一般に、電荷数ｑ、ビーム電流Ｉのイオンビームを速さｖ０で走査する場合の走査経路（なお、式中では筆記体の小文字の「ｌ」で示す）の上の粒子密度は次式で表される。
【００１１】
【数１】
0003563226.tif 000002
但し、ｎは粒子数である。走査速度ｖ０が一定であれば走査方向の粒子密度は常に一定である。また、走査方向に垂直な方向、即ち半径方向の走査軌道密度も一定に保てば二次元的にも均一な粒子密度分布を得ることができる。この条件は、走査半径をｒ、走査方向の方位角をθとすると、次式のように表される。
【００１２】
【数２】
0003563226.tif 000003
半径ｒ及び方位角θを時間の関数と考え、時間ｔ＝０の時の半径をＲmin、時間ｔ＝Ｔの時の半径をＲmax、走査回転数をＮとすると、式２より定数Ａは、次式により表される。
【００１３】
【数３】
0003563226.tif 000004
走査回転数が大きい場合には、走査速度の半径方向成分は方位角方向に比べて十分無視することができ、方位角方向成分は走査速度ｖ０で近似することができる。従って、走査角振動数ωは次式のとおりおくことができる。
【００１４】
【数４】
0003563226.tif 000005
式▲２▼と式▲４▼とから走査半径ｒは次式のように解くことができる。
【００１５】
【数５】
0003563226.tif 000006
また、式▲４▼と式▲５▼とから走査角振動数ωは次式のように表される。
【００１６】
【数６】
0003563226.tif 000007
従って、与えられた４つのパラメータ、即ち走査最大半径Ｒｍａｘ、走査最小半径Ｒｍｉｎ、走査速度ｖ０及び走査回転数Ｎに対し、走査軌道及び走査周期は一意に定まる。
【００１７】
実際にイオンビームを走査する際には、２つの偏向電磁石１２、１４に通電するコイル電流値を式▲５▼に従うように時間的に変化させ、また２つの偏向電磁石１２、１４の電流位相差を９０度に保ったままコイル電流周波数を式▲６▼で変化させることによりビームはスパイラル状の軌道を描いて走査される。このとき、Ｘ方向偏向電磁石１２により生じる磁場の時間変化は図１の１８に示されるように変化し、一方Ｙ方向偏向電磁石１４により生じる磁場の時間変化は図１の２０に示されるように変化し、互いに９０度位相差を保っている。この走査を最小半径Ｒｍｉｎから最大半径Ｒｍａｘへ、そして最大半径Ｒｍａｘから最小半径Ｒｍｉｎへ繰り返し行うことにより、フルエンスを全体的に増やしていくことができる。
【００１８】
イオン加速器により加速された直流もしくは１０−９〜１０−３秒のパルス周期を有するイオンビームを上述のようにして連続に走査することにより円形状の大面積均一照射が可能となる。
【００１９】
次に、本発明の一実施例（実験データ）として、走査最小半径Ｒｍｉｎ＝５ｍｍ、走査最大半径Ｒｍａｘ＝１００ｍｍ、回転数Ｎ＝２０、走査速度ｖ０＝３００ｍｍ／ｓの場合について以下に記す。
【００２０】
式▲５▼及び式▲６▼で表される走査半径ｒと走査角振動数ωの時間変化の例を図２及び図３にそれぞれ示す。また、２台の偏向電磁石１２、１４の一方に通電するコイル電流の時間変化の様子を図４に示す。なお、他方の電磁石のコイル電流の時間変化は、その包絡線の形状は実質的に同じであり、位相が９０度異なるだけなので省いた。更に、照射野上でのビーム走査軌道を図５に示す。
【００２１】
本発明によるイオンビーム走査法によって得られる照射野中の二次元粒子密度分布を模擬計算するために、ビームスポットの粒子強度分布を二次元的なガウス分布と仮定すると、次式のように表される。
【００２２】
【数７】
0003563226.tif 000008
ここで、（ｘ０，ｙ０）は照射野上のビームスポット中心位置、σはガウス分布の分散値で、ビームスポットの粒子強度分布の半値幅ＦＷＨＭを用いると、σ＝ＦＷＨＭ／２．３５と表される。最小半径Ｒｍｉｎから最大半径Ｒｍａｘまでビームを走査したときに得られる粒子密度分布の一例を図６に示す。なお、このときの模擬計算諸元は、走査最小半径Ｒｍｉｎ＝３ｍｍ、走査最大半径Ｒｍａｘ＝１００ｍｍ、回転数Ｎ＝４９、走査速度ｖ０＝３００ｍｍ／ｓである。図６から、従来の方法では均一照射が困難であった１０ｃｍを超える直径を有する試料に対しても均一照射が可能であることがわかる。
【００２３】
粒子密度分布の均一度は、主に走査最小半径Ｒｍｉｎとビームスポット粒子強度分布の半値幅ＦＷＨＭの比に依存する。Ｒｍｉｎ／ＦＷＨＭと均一度の相関を図７に示す。なお、このときの模擬計算諸元を表１に示す。
【００２４】
【表１】
0003563226.tif 000009
【００２５】
図７及び表１において、Ｐｉｔｃｈは半径方向のビーム軌道の間隔を表す。図７から、Ｒｍｉｎ／ＦＷＨＭ≦０．３ならば、±１０％以下の均一度が得られることがわかる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明のビーム走査法は以上説明したように構成されているので、イオンビームの連続的なスパイラル走査によって、従来のワブリング方法のような周期的なビーム遮断機器を必要とせずに円形状の大面積均一照射が可能となる。従って、本発明のイオンビーム走査法は、従来のイオンビーム走査法と異なる新たな技術であり、イオンビーム工学における高度なビーム制御技術の一つとして将来的な応用が期待される。
【００２７】
また、直径１０ｃｍを超えるような円形の大きな試料への連続イオン均一照射が可能となるため、材料工学やバイオ技術、医学治療などの応用研究分野におけるイオンビームを用いた研究開発への寄与は多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】二連の偏向電磁石を用いた本発明のスパイラル・ビーム走査方法によるイオンビームの大面積均一照射システムの概念図である。
【図２】本発明の一実施例における走査半径ｒの時間変化の例を示す図である。
【図３】本発明の一実施例における走査角振動数ωの時間変化の例を示す図である。
【図４】本発明の一実施例における２台の偏向電磁石の一方に通電するコイル電流の時間変化の様子を示す図である。
【図５】本発明の一実施例における照射野上でのビーム走査軌道を示す図である。
【図６】本発明の一実施例における照射野上の二次元粒子密度分布の一例を示す図である。
【図７】本発明の一実施例における二次元粒子密度分布の均一度と（走査最小半径Ｒｍｉｎ／ビームスポット半値幅ＦＷＨＭ）との相関の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０：イオンビーム
１２：Ｘ方向偏向電磁石
１４：Ｙ方向偏向電磁石
１６：照射試料
【図１】
0003563226.tif 000011
【図２】
0003563226.tif 000012
【図３】
0003563226.tif 000013
【図４】
0003563226.tif 000014
【図５】
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【図６】
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【図７】
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