(57)【要約】【課題】  イオンを荷電変換部へ導くためのビームライン調整を容易かつ適正に行うことができるタンデム型イオン加速装置及びイオンビーム調整方法を提供する。【解決手段】  一対の加速管１９Ａ，１９Ｂと、これら一対の加速管が前段側と後段側とに接続される高電圧ターミナル２０と、この高電圧ターミナル２０の内部に配置され、前段側の加速管１９Ａで加速されたイオンの極性を反転し当該イオンを後段側の加速管１９Ｂへ導くストリッパカナル（荷電変換部）２０１とを有するタンデム型イオン加速装置１０において、ストリッパカナル２０１のイオンビーム導入端側に、当該ストリッパカナル２０１を通るビームラインから外れて加速されたイオンの照射を受けて発光する発光部材３１を設置し、この発光部材が発光しない位置にビームラインを調整する。発光部材３１の発光は、ビームラインと同軸的に設置した監視窓３５で監視する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
極性の異なるイオンを各々加速させる一対の加速管と、これら一対の加速管が前段側と後段側とに接続される高電圧ターミナルと、この高電圧ターミナルの内部に配置され、前記前段側の加速管で加速されたイオンの極性を反転し当該イオンを前記後段側の加速管へ導く荷電変換部とを有するタンデム型イオン加速装置において、
前記荷電変換部を通るビームラインから外れて加速されたイオンの照射を受けたときに発光する発光部材を備えたことを特徴とするタンデム型イオン加速装置。
【請求項２】
前記発光部材は、前記荷電変換部のイオンビーム導入端側に設置されている請求項１に記載のタンデム型イオン加速装置。
【請求項３】
前記荷電変換部は、前記イオンビームが通過する通孔を有する管状部材であり、前記発光部材は、前記通孔と略同径の中心孔を備えた環状板部材である請求項２に記載のタンデム型イオン加速装置。
【請求項４】
前記環状板部材は石英である請求項３に記載のタンデム型イオン加速装置。
【請求項５】
前記環状板部材は石英であり、その表面に蛍光材が塗布されている請求項３に記載のタンデム型イオン加速装置。
【請求項６】
前記一対の加速管及び前記高電圧ターミナルを収容するタンクを備え、このタンクの外部には、前記発光部材の発光を外部から監視するための監視窓が設けられている請求項１に記載のタンデム型イオン加速装置。
【請求項７】
前記監視窓は、イオン源から発生したイオンを選別する質量分離部であって、この質量分離部から前記加速管へ導入されるイオンのビーム経路と同軸的に設置されている請求項６に記載のタンデム型イオン加速装置。
【請求項８】
極性の異なるイオンを各々加速させる一対の加速管と、これら一対の加速管が前段側と後段側とに接続される高電圧ターミナルと、この高電圧ターミナルの内部に配置され、前記前段側の加速管で加速されたイオンの極性を反転し当該イオンを前記後段側の加速管へ導く荷電変換部とを有するタンデム型イオン加速装置におけるイオンビーム調整方法において、
前記荷電変換部のイオンビーム導入端側に、当該荷電変換部を通るビームラインから外れて加速されたイオンの照射を受けて発光する発光部材を設置し、この発光部材が発光しない位置にビームラインを調整することを特徴とするイオンビーム調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン注入、イオンビーム分析等、高エネルギーでイオンビームを照射するタンデム型イオン加速装置に関し、更に詳しくは、ビームラインの調整を容易に行うことができるタンデム型イオン加速装置及びイオンビーム調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、極性の異なるイオンを各々加速させる一対の加速管と、これら一対の加速管が前段側と後段側とに接続される高電圧ターミナルと、この高電圧ターミナルの内部に配置され、前段側の加速管で加速されたイオンの極性を反転し当該イオンを後段側の加速管へ導く荷電変換部とを有するイオン加速装置が知られている（下記特許文献１参照）。この種のイオン加速装置においては、前段側の加速管入口から高電圧ターミナル迄、及び高電圧ターミナルから後段側の加速管出口迄の２段においてイオンを加速することから、タンデム型と称されている。
【０００３】
タンデム型イオン加速装置において、前段側の加速管の入口と後段側の加速管の出口とは共に接地されており、これら一対の加速管の間は高電圧ターミナルで接続されている。イオンを各加速管で加速させるには、前段側の加速管と後段側の加速管とでイオンの極性を反転させる必要がある。このため、高電圧ターミナルの内部には、前段側の加速管で加速されたイオンの正負の極性を反転させる荷電変換部が設けられている。
【０００４】
一般的に、荷電変換部は、上記一対の加速管の間を連絡するストリッパカナルと称される細長い直線的な導管で構成されており、このストリッパカナルの内部に供給された窒素ガスやアルゴンガス等に、ストリッパカナルに導入されたイオンを衝突させて、当該イオンの荷電変換を行うようにしている。
【０００５】
【特許文献１】特開平６−６８９８４号公報
【特許文献２】特開平９−１０５７２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
さて、ストリッパカナルは上述のように細長い導管で構成されていて、その内径は加速管の内径に比べて非常に小さい。したがって、前段側の加速管で加速させたイオンを後段側の加速管に適正に導くためには、イオンが精度良くストリッパカナルを通過する位置にビームラインを調整する必要がある。
【０００７】
そこで、従来のタンデム型イオン加速装置においては、前段側の加速管に導入されるイオンビームの電流量と、後段側の加速管から導出されるイオンビームの電流量とをそれぞれ検出するファラデーカップをそれぞれ配置させ、これらの検出電流量が最大となるようにイオンビームのビームラインを調整するようにしていた。
【０００８】
しかしながら、このような調整方法では、イオンビームがストリッパカナルを適正に通過しているかどうかを容易に確認することができず、調整作業に多くの時間を費やし、スループットの低下を引き起こしているという問題がある。
【０００９】
また、イオンビームがストリッパカナルを適正に通過していないと、イオンの荷電変換効率が低下し所望の加速エネルギーが得られなかったり、目的とするドーズ量が得られなくなるなど、当該イオン加速装置の所期の性能を確保することができなくなる。
【００１０】
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、イオンを荷電変換部へ導くためのビームライン調整を容易かつ適正に行うことができるタンデム型イオン加速装置及びイオンビーム調整方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
以上の課題は、極性の異なるイオンを各々加速させる一対の加速管と、これら一対の加速管が前段側と後段側とに接続される高電圧ターミナルと、この高電圧ターミナルの内部に配置され、前記前段側の加速管で加速されたイオンの極性を反転し当該イオンを前記後段側の加速管へ導く荷電変換部とを有するタンデム型イオン加速装置において、前記荷電変換部を通るビームラインから外れて加速されたイオンの照射を受けたときに発光する発光部材を備えたことを特徴とするタンデム型イオン加速装置、によって解決される。
【００１２】
また、以上の課題は、極性の異なるイオンを各々加速させる一対の加速管と、これら一対の加速管が前段側と後段側とに接続される高電圧ターミナルと、この高電圧ターミナルの内部に配置され、前記前段側の加速管で加速されたイオンの極性を反転し当該イオンを前記後段側の加速管へ導く荷電変換部とを有するタンデム型イオン加速装置におけるイオンビーム調整方法において、前記荷電変換部のイオンビーム導入端側に、当該荷電変換部を通るビームラインから外れて加速されたイオンの照射を受けて発光する発光部材を設置し、この発光部材が発光しない位置にビームラインを調整することを特徴とするイオンビーム調整方法、によって解決される。
【００１３】
以上の構成により、本発明においては、前段側の加速管で加速されたイオンが正規のビームライン上にない場合、当該イオンが荷電変換部の導入端側に設置された発光部材に照射されることによって当該発光部材が発光するので、作業者にビームラインが適正でないことを容易に確認することができる。これにより、発光部材が発光しない位置にビームラインを調整することにより、イオンが適正かつ容易に荷電変換部へ導かれることになる。
【００１４】
上記荷電変換部は、イオンビームが通過する通孔を有する管状部材で構成される。この場合、上記発光部材は、上記通孔と略同径の中心孔を備えた環状板部材で構成することができる。
【００１５】
発光部材としては、イオンビームの照射を受けて、その照射領域が発光する材料であることが好ましく、例えば石英等の結晶材料や、これに蛍光材を塗布したもの等が好適である。
【００１６】
発光部材の発光の確認は、一対の加速管及び高電圧ターミナルを収容するシールドタンクの外部に設定した監視窓を介して行うことができる。この監視窓を直接視認する方法が簡便ではあるが、監視窓にＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の固体撮像素子を近接配置させ、その出力信号に基づいてイオンビーム調整の自動化を図るようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
以上述べたように、本発明によれば、荷電変換部を通るイオンビームの導入経路から外れて加速されたイオンの照射を受けたときに発光する発光部材を備えているので、イオンが荷電変換部を適正に通過することができる位置へビームラインを容易に調整することができるようになり、調整作業を簡素化してスループットの向上を図ることができるとともに、タンデム型イオン加速装置の所期の性能を常に確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態によるタンデム型イオン加速装置１０の概略構成図である。本実施の形態において、タンデム型イオン加速装置１０は、高エネルギーイオンビームを用いた材料分析装置やイオン注入装置に適用される。
【００１９】
タンデム型イオン注入装置１０は、イオン源１１、アインツエルレンズ１２、荷電変換セル１３、質量分離電磁石１４、スリット１５、ファラデーカップ１６、静電ステアラ１７、イオン加速器３０、四重極静電型レンズ２４、偏向電磁石２５及びファラデーカップ２６を備えている。
【００２０】
イオン源１１は、例えば材料分析用途の場合、水素やヘリウムの正（プラス）のイオンを発生する。アインツエルレンズ（コンデンサレンズ）１２は、イオン源１１の下流側に隣接して取り付けられ、イオン源１１から引き出されたイオンビームを収束する。荷電変換セル１３は、ナトリウムやセシウム等の材料を蒸気にし、これにイオン源１１から引き出した正イオンを衝突させて負イオンに荷電変換する。
【００２１】
質量分離電磁石１４は、本発明の「質量分離部」に対応しており、所望の質量のイオンを分離し下流側へ供給する。静電ステアラ１７は、平行平板の電極が水平方向と垂直方向にそれぞれ一組配置されてなり、イオン加速器３０に入射するイオンビームのビームライン（導入経路）を調整する。
【００２２】
イオン加速器３０は、第１，第２の一対の加速管１９Ａ，１９Ｂと、高電圧ターミナル２０と、高電圧発生回路２１とを備え、これら加速管１９Ａ，１９Ｂ、高電圧ターミナル２０及び高電圧発生回路２１は、高圧タンク１８内に収容されている。なお、高圧タンク１８と、第１加速管１９Ａの入口端及び第２加速管１９Ｂの出口端は、それぞれ接地されている。
【００２３】
高圧タンク１８には、通常３〜６気圧の絶縁ガスが充填されている。一対の加速管１９Ａ，１９Ｂは、高電圧ターミナル２０の前段側および後段側にそれぞれ接続されている。高電圧ターミナル２０は曲面形状の金属製で、高電圧発生部２１に接続されている。この高電圧発生部２１には、シェンケル型回路（並列昇圧）、コッククロフト・ウォルトン型回路（直列昇圧）が適用可能である。なお、２２は昇圧トランス、２３は発振器である。
【００２４】
高電圧ターミナル２０の内部には、荷電変換部としてのストリッパカナル２０１、レギュレータ２０２、ボンベ２０３及び絶縁性操作軸２０４が収納されている。ボンベ２０３には例えば窒素ガスが充填されていて、これを操作軸２０４で開度が調節されるレギュレータ２０２を介してストリッパカナル２０１に導入するようになっている。
【００２５】
そして、タンデム型イオン加速装置１０は、イオン源１１から約１０〜２５ｋＶでＨｅイオン（Ｈｅ+）を引き出し、ファラデーカップ１６をビームライン上に移動させてビーム電流を測定しながら、アインツエルレンズ１２を用いてイオンビームを収束する。次に、ファラデーカップ１６をビームラインから退避させた後、イオン源１１から引き出したＨｅイオンを荷電変換セル１３に入射させ、Ｈｅ+イオンをＨｅ-イオンに変換する。
【００２６】
変換されたＨｅ-イオンは、質量分離電磁石１４で所望の質量のイオンに分離され、ファラデーカップ１６を再びビームライン上に移動させて電流値が最大となるように、質量分離電磁石の励磁電流を調整する。この状態で、イオン加速器３０の前段側の第１加速管１９ＡにＨｅ-イオンを入射させる。
【００２７】
高電圧ターミナル２０は、高電圧発生回路２１により５００〜１０００ｋＶの正電圧に印加されており、第１加速管１９Ａに入射したＨｅ-イオンは５００〜１０００ｋｅＶに加速され、ストリッパカナル２０１に導入される。このストリッパカナル２０１において、導入されたＨｅ-イオンは窒素ガスと衝突することにより、Ｈｅ-イオンから電子が２個剥ぎ取られてＨｅ+イオンに変換される。
【００２８】
変換されたＨｅ+イオンは、後段側の第２加速管１９Ｂに導かれ、更に５００〜１０００ｋｅＶ加速され、最大１０００〜２０００ｋｅＶのエネルギーを持ってイオン加速器３０から出射される。イオン加速器３０で加速されたＨｅ+イオンは、四重極静電型レンズ２４で収束され、更に偏向電磁石２５で偏向されて、照射チャンバ内のファラデーカップ２６で電流値が検出される。
【００２９】
さて、イオン源１１から引き出したイオンをイオン加速器３０で所望のエネルギーにまで加速するためには、各々直線的に接続された第１加速管１９Ａ、ストリッパカナル２０１及び第２加速管１９Ｂの内部をイオンビームが適正に通過する必要がある。
【００３０】
そこで、本実施の形態のタンデム型イオン加速装置１０は、図２に示すように、ストリッパカナル２０１を通るビームラインから外れて加速されたイオンの照射を受けたときに発光する発光部材３１を備え、この発光部材３１が発光しない位置にイオンビームのビームラインを調整するようにしている。
【００３１】
図２は、ストリッパカナル２０１の模式断面図である。ストリッパカナル２０１は、イオンビームＩＢ１を通過させるための通孔２０１ａを有する細長い管状部材で構成されており、例えば通孔２０１ａの内径は６ｍｍ、長さは２００ｍｍに形成されている。一方、ストリッパカナル２０１の上流側（前段側）及び下流側（後段側）には、第１加速管１９Ａ及び第２加速管１９Ｂがそれぞれ接続されており、これら加速管１９Ａ，１９Ｂの内径は例えば１００ｍｍとされている。
【００３２】
なお、第１加速管１９Ａとストリッパカナル２０１の間は、ストリッパカナル２０１のフランジ部２０１ｂを介して接続され、ストリッパカナル２０１と第２加速管１９Ｂの間は、ストリッパカナル２０１のフランジ部２０１ｃを介して接続されている。
【００３３】
発光部材３１は、ストリッパカナル２０１のイオンビーム導入端側に設置されている。本実施の形態において、発光部材３１は、ストリッパカナル２０１の通孔２０１ａと略同径の中心孔３２ａを備えた環状板部材３２と、この環状板部材３２の第１加速管１９Ａ側表面に塗布形成された蛍光塗膜３３とで構成されている。
【００３４】
環状板部材３２は、例えば石英やサファイア等、イオンビームの照射を受けてその照射領域が発光する材料が適用されている。発光色は特に限定されず、例えば石英であれば青白い発光色が認められる。また、この環状板部材３２を発光性の材料で構成することにより、表面の蛍光塗膜３３がイオンの照射で滅失しても所期の発光作用が得られるので、当該発光部材３１が長期にわたって使用可能となり、メンテナンス性が高められる。
【００３５】
蛍光塗膜３３は、真空雰囲気に影響を与えないものであれば特に限定されず、例えばＭｇＯ等の蛍光材が適用可能である。イオンビームの照射により、ＭｇＯ製の蛍光塗膜３３は、緑色に発光する。
【００３６】
発光部材３１は、第１加速管１９Ａの出口端とストリッパカナル２０１のフランジ部２０１ｂとの間に介装される。この構成により、ストリッパカナル２０１の通孔２０１ａを通過する正規のイオンビームＩＢ１以外の、通孔２０１ａを通過しないビームライン上を走行する不適正なイオンビームＩＢ２は、発光部材３１表面の何れかの領域に衝突することになる。
【００３７】
ビームラインの調整は、イオン加速器３０の前段に配置されたビーム軸調整手段としての静電ステアラ１７によって行われる。静電ステアラ１７は、質量分離電磁石１４から出射するイオンビームをＸ方向（図２において紙面垂直方向）とＹ方向（図２において矢印Ｙ方向）に静電的にビームラインの軸位置調整を行う。なお、静電ステアラ１７によって軸位置調整されるビームラインは、加速管１９Ａ，１９Ｂ及びストリッパカナル２０１の各々の軸方向とほぼ平行であるとみなすことができる。
【００３８】
本実施の形態のタンデム型イオン加速装置１０において、発光部材３１のビーム照射による発光は、高圧タンク１８の外部から観察できるように構成されている。図１に示すように、質量分離電磁石１４には、イオン加速器３０の内部に設置された発光部材３１の発光を外部から監視・観察するための監視窓３５が設けられている。
【００３９】
図３及び図４は、質量分離電磁石１４の概略平面図及びその要部の概略断面図である。図３に示すように、監視窓３５は、質量分離電磁石１４の内部を通りイオンの走行領域を区画する通路３６に対して、質量分離電磁石１４から第１加速管１９Ａへ導入されるイオンのビーム経路と同軸的に分岐形成された分岐管３７の端部に設置されている。この監視窓３５はガラス等の透明板で形成され、分岐管３７の一端フランジ部３７ａに真空封止されることによって、通路３６及びこれに連接されている分岐管３７内の所定の真空度が維持されている。
【００４０】
質量分離電磁石１４は、図４に示すように、通路３６内を通過するイオンをローレンツ力で所望の質量のイオンのみ抽出し下流側へ導く構造を備え、励磁コイル３８が巻装されたヨーク３９と、通路３６を上下方向に挟むように対向配置された一対のコア４０ａ，４０ｂとが設置されている。監視窓３５を上記構成の分岐管３７の端部に設置することにより、イオンの進行経路に影響を与えることなく発光部材３１の発光面を視認できる。
【００４１】
以上の構成により、監視窓３５を介して、図４に示すように、第１加速管１９Ａの終端に設置された発光部材３１と、この発光部材３１の中心孔３２ａと整列するストリッパカナル２０１の通孔２０１ａとを同時に視認することができる。これにより、質量分離電磁石１４を通過したイオンビームがストリッパカナル２０１の通孔２０１ａを通過する適正なビームライン上に位置する場合には発光部材３１の発光作用は認められない。従って、第１加速管１９Ａで加速されたイオンは、適正にストリッパカナル２０１を通過していることを確認できる。
【００４２】
一方、イオンビームが通孔２０１ａを通過しない不適正なビームライン上に位置する場合には、当該イオンビームの照射を受けて発光部材３１の被照射領域が発光する様子を、当該監視窓３５を介して視認できる。従って、発光部材３１の発光領域に基づいて静電ステアラ１７を調整することによりビームラインを正規の位置に調整してイオンをストリッパカナル２０１へ導き、発光部材３１が発光しないことを確認して、ビームラインの軸位置調整作業が完了する。
【００４３】
なお、上述したストリッパカナル２０１に対するビームラインの軸位置調整は、ファラデーカップ１６，２６を用いたビーム電流の検出作業と並行して行うようにしているが、これらファラデーカップ１６，２６を用いずとも上述した発光部材３１を用いる本発明のビームライン調整方法のみでビームラインの軸位置調整を行ってもよい。
【００４４】
以上のように、本実施の形態のタンデム型イオン加速装置１０によれば、ストリッパカナル２０１を通るビームラインから外れて加速されたイオンの照射を受けたときに発光する発光部材３１を備えているので、イオンがストリッパカナル２０１を適正に通過することができる位置へビームラインを容易に調整することができるようになる。これにより、イオンビームのビームライン調整作業を簡素化してスループットの向上を図ることができるとともに、タンデム型イオン加速装置の所期の性能を常に確保することができるようになる。
【００４５】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【００４６】
例えば以上の実施の形態では、発光部材３１の発光を監視する監視窓３５を直線的な分岐管３７の一端に設置したが、反射ミラーを適宜配置して、分岐管３７を屈曲形成することも可能である。
【００４７】
また、以上の実施の形態では、監視窓３５を介して作業者の目視により発光部材３１の発光を確認するようにしたが、これに代えて、監視窓３５にＣＣＤカメラ等の固体撮像素子を近接配置させてもよい。この場合、作業者は別の場所でコンピュータ画像を介して発光部材３１の発光を確認できる。また、ＣＣＤカメラの出力信号に基づいて直接静電ステアラの調整制御を行うようにすれば、イオンビームの調整作業の自動化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施の形態によるタンデム型イオン加速装置１０の概略構成図である。
【図２】本発明の作用を説明するストリッパカナル２０１の断面模式図である。
【図３】監視窓３５の設置形態を説明する質量分離電磁石１４の平面図である。
【図４】図３における［４］−［４］線方向断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０  タンデム型イオン加速装置
１１  イオン源
１４  質量分離電磁石
１７  静電ステアラ
１８  高圧タンク
１９Ａ  第１加速管
１９Ｂ  第２加速管
２０  高電圧ターミナル
２１  高電圧発生回路
３０  イオン加速器
３１  発光部材
３２  環状板部材
３２ａ  中心孔
３３  蛍光塗膜
３５  監視窓
３７  分岐管
２０１  ストリッパカナル
２０１ａ  通孔
【図１】
2006120420.tif 000003
【図２】
2006120420.tif 000004
【図３】
2006120420.tif 000005
【図４】
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