(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビーム電流に対応した磁場を検知する検知部と、磁束を測定部に伝達する磁束伝達部と、伝達された磁束に感応する超伝導素子と超伝導素子を貫く磁束の変化を打ち消すように帰還電流を流す帰還コイルを有する測定部と、検知部と磁束伝達部と測定部をイオンビームが流れる空間を含む外部空間から磁気遮蔽する超伝導体からなるギャップを有する磁気遮蔽部と、イオンビーム電流によって誘起された磁束を検知部と磁束伝達部のどちらか一方、或いは両方で打ち消して測定部に伝達される磁束量を制御する回路を少なくとも有し、
前記磁束伝達部のトランスは、前記検知部に接続したトランス入力コイルと、測定部に接続したコイルと、磁束の変化を打ち消すためのコイルから成るイオンビーム電流強度測定装置。
【請求項２】
前記検知部が超伝導線を軟磁性体のコアに複数ターン巻いた構成であることを特徴とする請求項1記載のイオンビーム電流強度測定装置。
【請求項３】
前記磁束伝達部は軟磁性体のコアに超伝導線を巻いたトランスを少なくとも有することを特徴とする請求項１記載のイオンビーム電流強度測定装置。
【請求項４】
前記検知部は、磁束の変化を打ち消すためのコイルに電流を流すことで測定部に伝達される磁束量を制御することを特徴とする請求項２記載のイオンビーム電流強度測定装置。
【請求項５】
磁束の変化を打ち消すためのコイルに流した電流の変化は、超伝導素子を貫く磁束の変化を打ち消すように流された帰還電流の変化に対応していることを特徴とする請求項４記載のイオンビーム電流強度測定装置。
【請求項６】
磁束の変化を打ち消すためのコイルに流した電流の変化を測定することでイオンビーム電流強度の変化を測定することを特徴とする請求項５記載のイオンビーム電流強度測定装置。
【請求項７】
超伝導素子が超伝導磁束量子干渉計であることを特徴とする請求項１記載のイオンビーム電流強度測定装置。
【請求項８】
請求項1記載のイオンビーム電流強度測定装置を備えたイオン注入装置。
【請求項９】
請求項1記載のイオンビーム電流強度測定装置を備えた電子ビーム露光装置。
【請求項１０】
請求項1記載のイオンビーム電流強度測定装置を備えた加速器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビームを遮断せずにイオンビーム電流強度を高精度で測定する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ビームを遮断せずにイオンビーム電流強度を精度良く測定する方法が特開平7-135099号公報に開示されている。しかしこの方法では、イオンビームが流れている空間と磁場を収集する磁場収集手段と収集した磁場に感応する超伝導素子を全て外部磁場から磁気遮蔽する必要があった。これによりイオンビーム電流強度測定装置が非常に大型化してしまうという課題があった。以下に詳しく説明する。例えば1 nAのビーム電流によってつくられる磁場は、ビーム中心から20 cm離れた点で10-15 Tのオーダーである。一方、地磁気を含む環境磁場は少なくとも10-5 Tのオーダーはあるのでバックグラウンドの方が10桁程度も大きい。外部磁場を減衰させる磁気遮蔽手段は、高透磁率材料で囲う方法がある。しかし、一般的に用いられるパーマロイを用いた磁気遮蔽ではせいぜい1桁〜2桁だけ外部磁場を減衰できる程度なので、バックグラウンドを低減して1 nAのビーム電流強度を測定することはできない。大幅に磁場を減衰させる磁気遮蔽手段は超伝導が考えられる。しかし、超伝導磁気遮蔽は完全に遮蔽部分を超伝導体で囲う必要があるので、イオン源やイオンを加速させる装置もイオンビームが流れている空間とともに超伝導体で囲う必要があった。このために装置が非常に大型化するという課題があった。
【０００３】
この課題を解決する方法として、日本物理学会誌Vol. 54, No. 1, 1999に数μA以下のイオンビーム電流をnAオーダーの測定精度で測定する方法が開示されている。この方法は、特開平7-135099号公報と比較して、イオンビームが流れている空間と磁場を収集する検知コイルの間に狭いギャップを有する超伝導磁気遮蔽を設けるという特徴がある。日本物理学会誌 Vol. 54, No. 1, 1999に記載された構造の狭いギャップを有する超伝導磁気遮蔽は、外部磁場は大幅に減衰させる一方でイオンビーム電流が発生させる磁場は減衰させずに通過させる特徴がある。この特徴により、超伝導体で囲う部分は検知コイルと超伝導素子およびその周辺の超伝導回路だけでよいので、大幅に装置の小型化を実現できた。
【０００４】
しかし、この方法では測定レンジが約3μA以下と狭いという課題があった。3μA以上のビーム電流を測定したいときには測定精度を低下させるか、または、精度を維持して測定したいときには、一般に、ファラデーカップ等のビームを遮断する測定手段を用いるしか方法はなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
数nAから数μAの高い測定精度を維持して、且つ、ビームを遮断せずに数十nAから数十mAの広い測定レンジでビーム電流を測定できる方法の提供が求められていた。
【０００６】
上記課題を解決するため本発明のビーム電流強度測定装置は、イオンビーム電流に対応した磁場を検知する検知部と、磁束を測定部に伝達する磁束伝達部と、伝達された磁束に感応する超伝導素子と超伝導素子を貫く磁束の変化を打ち消すように帰還電流を流す帰還コイルを有する測定部と、検知部と磁束伝達部と測定部をイオンビームが流れる空間を含む外部空間から磁気遮蔽する超伝導体からなるギャップを有する磁気遮蔽部と、イオンビーム電流によって誘起された磁束を検知部と磁束伝達部のどちらか一方、或いは両方で打ち消して測定部に伝達される磁束量を制御する回路を少なくとも有し、前記磁束伝達部のトランスは、検知部に接続したトランス入力コイルと、測定部に接続したコイルと、磁束の変化を打ち消すためのコイルから成る事を特徴とする。
【０００７】
検知部は超伝導線を軟磁性体のコアに複数ターン巻いた構成とする。磁束伝達部は検知部と測定部を超伝導線で接続しただけでも良いが、トランスを用いて検知部と測定部のインダクタンスの調整を行う構造も可能であり、後者の方が磁束の伝達率が最適化できるので望ましい。測定部は、磁場センサーの働きをする超伝導磁束量子干渉計を備えている。さらに、磁束伝達部にワッシャ―コイルが設けられており、超伝導磁束量子干渉計を貫く磁束の変化をゼロにするように帰還コイルに電流を流して帰還する構造とする。超伝導磁束量子干渉計と、超伝導磁束量子干渉計を貫く磁束の変化をゼロにするように設けられたコイルと帰還コイルは、チップ上に構成されており、SQUIDチップとして生体磁気の測定等に広く使用されている。磁気遮蔽部は、イオンビーム電流を取り囲むように配置した超伝導体からなる超伝導磁気遮蔽であり、ドーナツ型の２枚の超伝導体板に挟まれた狭いギャップを有する形状とした。ドーナツ型の超伝導体板の内径と外径の比やギャップ数によって外部磁場の減衰率を所望に変えることができる。ギャップは、イオンビームがつくる磁場だけを減衰させずに選択的に磁気遮蔽内部に入れる。超伝導磁気遮蔽の材質はニオブや鉛を用いることができる。検知部と磁束伝達部のどちらか一方、或いは両方の磁束を打ち消して測定部に伝達される磁束量を制限する回路は、例えば、磁束伝達部にトランスを設けて、超伝導素子を貫く磁束の変化を打ち消すように磁束伝達部に流された帰還電流が帰還抵抗の両端につくる電圧の変化に対応した電流をトランスに流す回路を構成することで実現できる。或いは、ビーム電流が検知コイルの軟磁性体のコアに誘起する磁束とは逆向きの磁束を誘起するように、軟磁性体のコアに超伝導線を巻いた構成の検知コイルとすることでも実現できる。
【０００８】
上記の装置構成とすることで、イオンビームが数μA以上の電流となっても磁束伝達部、もしくは検知部で磁束を打ち消すことができるので、SQUIDチップに大きな電流を流すことはない。また、磁束を打ち消す電流はイオンビーム電流強度に対応している。測定精度は、基本的にSQUIDチップにおける超伝導磁束量子干渉計を貫く磁束の変化をゼロにするように帰還された帰還電流の変化のS/N比で決定される。
【０００９】
SQUIDチップに大きな電流を流すことのない構成なので、測定レンジの拡大が可能となる。磁束を打ち消す電流はイオンビーム電流強度に対応しているので、イオンビーム電流強度に比例した出力を得ることができる。測定精度は、出力のビーム電流に対する感度と雑音レベルで決まるが、本発明によると、感度はSQUIDチップにおける超伝導磁束量子干渉計を貫く磁束の変化をゼロにするように帰還された帰還電流のビーム電流に対する感度で決まるので高感度の測定ができる。且つ、雑音レベルは超伝導磁気遮蔽を用いた従来と同等の低い雑音レベルである。以上により、数nAから数μAの高い測定精度を維持して、且つ、ビームを遮断せずに数十nAから数十mAの広い測定レンジでビーム電流を測定できる方法を提供できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明による装置の構成を以下で説明する。ただし、これは実施例の一つである。
（本発明による装置の基本構成）
図1を参照して本発明によるイオンビーム電流強度測定装置の構成を説明する。
【００１１】
検知部は、軟磁性コアに超伝導線を4ターン巻いたものを検知コイル１として用いた。軟磁性コアの寸法は内径φ250 mm、外径φ320 mm、高さ30 mmである。軟磁性コアは保磁力が小さく透磁率の大きいアモルファス材を用いた。
磁束伝達部は、トランス入力コイル３と測定部に接続したコイル４と磁束の変化を打ち消すためのコイル５が軟磁性コアに巻かれたトランスと、検知部と測定部を接続する超伝導線から構成される。トランス入力コイル３は検知コイル１に接続されている。磁束の変化を打ち消すためのコイル５は、トランス入力コイル３に流れる電流によってトランスの軟磁性コア内部に誘起される磁束を打ち消すためのコイルである。トランスの軟磁性コアは検知コイル１のコアと同じ材質のものを用いた。トランスの軟磁性コアの寸法は内径φ10 mm、外径φ12.5 mm、高さ5 mmとした。トランス入力コイル３は100ターン、測定部に接続したコイル４は15ターン、磁束の変化を打ち消すためのコイル５は10ターンとした。
【００１２】
測定部は、超伝導素子にDC SQUIDを用いた超伝導回路とした。超伝導回路のSQUID９とSQUID入力コイル８、帰還コイル６、ワッシャ―コイル７はSQUIDチップ１８の上に構成されている。
【００１３】
超伝導磁気遮蔽は、検知部と磁束伝達部と測定部を取り囲む。囲まれた部分を超伝導磁気遮蔽で囲まれた範囲１９に示した。ただし、完全に取り囲んだ構造ではなく、検知部を取り囲む部分にギャップをもつ構造とした。ギャップの幅は0.5 mmとした。超伝導磁気遮蔽の材質はニオブを用いた。これら検知部と磁束伝達部と測定部と超伝導磁気遮蔽はクライオスタットの内部にいれて液体ヘリウム温度に冷却した。
【００１４】
上記の本発明によるイオンビーム電流強度測定装置は、従来と異なりSQUIDチップ１８の外の磁束伝達部にトランスを設けて磁束の変化を打ち消すためのコイル５を備えていることを特徴とする。
（本発明による装置の構成例と測定の仕組み）
図２は本発明によるイオンビーム電流測定装置のより具体的な構成例である。図２を参照して測定の仕組みを説明する。
【００１５】
ある強度のビーム電流IB２が検知コイル１を貫いている状態を初期状態とする。ビーム電流IB２の初期値はファラデーカップ２６で測定され、コンピューター２１に送られる。その値に対応して信号出力部２３から、電圧υC２４が出力されて抵抗RC２５に電流を流し、且つ、ビーム電流値表示部に電圧υC２４が入力される。さらに、信号出力部２３からは可変抵抗RB１７の値を設定する信号が可変抵抗RB１７の制御部２０に出力され、ビーム電流IB２の初期値に対応した値に可変抵抗RB１７が切り替わる。電圧υC２４が印加されることで帰還電流IF２８が流れる。このときの帰還電流IF２８は、電圧υC２４と抵抗RC２５の比であり、IF２８=υC／RCである。一方、ビーム電流IB２は、検知コイル１とトランス入力コイル３がつくる超伝導閉回路に検知電流IP２７を誘起する。検知電流IP２７と帰還電流IF２８は、それぞれトランス入力コイル３と磁束の変化を打ち消すためのコイル５に流れて、トランスの軟磁性コアに磁束を誘起する。ここで、帰還電流IF２８は電圧υC２４により可変なのでトランスの軟磁性コア内部の磁束がゼロとなるように設定できる。電圧υC２４の設定は、ビーム電流IB２の様々な初期値に対応する値をあらかじめ実験で決めておいて、コンピューター２１で自動設定できるようにしておく。このように、初期状態において検知電流IP２７と帰還電流IF２８がトランスの軟磁性コアに誘起する磁束の和はゼロで釣り合っており、このとき、測定部に接続したコイル４に電流は誘起されない。よって、SQUIDチップ１８にはSQUID入力電流IT２９は流れていない。
【００１６】
初期状態からビーム電流IB２の強度が変化すると、変化量に比例して検知電流IP２７が変化する。ビーム電流IB２の変化をΔIB２とし、検知電流IP２７の変化量をΔIP２７とする。ΔIP２７はΔIB２に比例してΔIP２７=α・ΔIB２と表せる。ΔIP２７により、トランスの軟磁性コアに誘起された磁束の和は釣り合ったゼロの状態から、ΔIP２７に比例した有限の磁束量となる。これにより、測定部に接続したコイル４とワッシャ―コイル７とSQUID入力コイル８がつくる超伝導閉回路にSQUID入力電流IT２９が誘起される。SQUID入力電流IT２９は、SQUID入力コイル８に流れてSQUID９を貫く磁束量を変化させようとするが、SQUID９を貫く磁束量が変化しないように帰還コイル６に帰還電流If３０が流れる。帰還電流If３０は帰還抵抗RA１３の両端に電圧を発生させる。これを出力電圧υA１４とする。出力電圧υA１４は電子回路１５に入力される。
【００１７】
ここで、図３に示すように電子回路１５が増幅器３１で構成された実施例について説明する。出力電圧υA１４は、増幅器３１からκ倍に増幅されて出力電圧υB１６として出力される。出力電圧υB１６の発生により、可変抵抗RB１７に電流υB／RBが流れて帰還電流IF２８に加えられる。帰還電流IF２８の変化量をΔIF２８とすると、ΔIF２８はυB／RBである。ΔIF２８は、出力電圧υB１６の代わりに出力電圧υA１４を用いて表すとΔIF２８=κ・υA／RBである。さらにυA= If３０・RAなので、ΔIF２８=κ・If３０・RA／RBと表せる。
ΔIF２８は、磁束の変化を打ち消すためのコイル５に磁束を誘起する。誘起された磁束によって、ΔIP２７がトランス入力コイル３に誘起した磁束が打ち消される。ΔIP２７がトランスの軟磁性コアに誘起する磁束を打ち消すために必要なΔIF２８の電流値は、トランス入力コイル３と磁束の変化を打ち消すためのコイル５の巻き数をそれぞれＮ３とＮ５とするとΔIF２８=（Ｎ３／Ｎ５）・ΔIP２７である。本実施例では（Ｎ３／Ｎ５）=10である。ΔIP２７がΔIB２に比例していることを思い出すと、ΔIF２８=（Ｎ３／Ｎ５）・α・ΔIB２であり、ΔIF２８はΔIB２に比例する。出力電圧υB１６はυB=ΔIF２８・RBより、υB=（Ｎ３／Ｎ５）・α・RB・ΔIB２である。よって、出力電圧υB１６を測定することでビーム電流IB２の変化ΔIB２に比例した出力を得ることができる。一方、ΔIB２とIf３０の関係は、ΔIB２=｛（κ・RA／RB）／（（Ｎ３／Ｎ５）・α）｝・If３０である。従来は、測定レンジの上限は、出力電圧υA１４が15 Vに達するときであった。例えば、帰還抵抗RA１３を4.7 kΩとしたときにはIf３０は約3.2μA以下が測定の上限となる。そして、If３０が約3.2μA以下で測定できるビーム電流IB２の変化は約2.5μAであった。これに対して本発明では、（κ・RA／RB）／（（Ｎ３／Ｎ５）・α）を大きくとることで、If３０が約3.2μA以下で測定できるΔIB２の上限を大きくできる。検知コイルとトランス入力コイル３と磁束の変化を打ち消すためのコイル５の自己インダクタンスと巻き数にも寄るが（Ｎ３／Ｎ５）・αを約1/100、帰還抵抗RA１３を4.7 kΩ、可変抵抗RB１７を1.5 MΩ、κを1とした本実施例では、If３０が約3.2μA以下で測定できるΔIB２の上限は約1 mAである。つまり、約400倍測定レンジを拡大できる。
【００１８】
次に、図４に示すように電子回路１５が積分器３２で構成された実施例について説明する。積分器３２は、入力信号である出力電圧υA１４が閾値を超えると、ある時定数をもって出力電圧υB１６を上昇させる。出力電圧υA１４が閾値内であるときはそのまま一定の出力電圧υB１６を出力する。出力電圧υA１４が閾値を下回ると、ある時定数をもって出力電圧υB１６を降下させる。出力電圧υB１６の発生によって、可変抵抗RB１７に電流υB／RBが流れて帰還電流IF２８に加えられる。前節と同様に、ΔIF２８はΔIF２８=υB／RBであり、ΔIF２８によって磁束の変化を打ち消すためのコイル５に誘起された磁束により、ΔIP２７がトランス入力コイル３に誘起した磁束が打ち消される。ΔIF２８=（Ｎ３／Ｎ５）・ΔIP２７であり、ΔIP２７はΔIB２に比例しているので、ΔIF２８=（Ｎ３／Ｎ５）・α・ΔIB２である。出力電圧υB１６は、υB=（Ｎ３／Ｎ５）・α・RB・ΔIB２である。よって、出力電圧υB１６を測定することでビーム電流IB２の変化ΔIB２に比例した出力を得ることができる。ここで、測定精度は閾値の設定で決めることができる。例えば出力電圧υA１４の閾値を±500 mVと設定すると、これはビーム電流IB２に換算して約±100 nAであり、ビーム電流IB２の精度を約±100 nAで測定できる。このとき、測定レンジは基本的に制限はなく、（Ｎ３／Ｎ５）・α・RBを設定することで出力電圧υB１６の大きさが決まる。例えば、（Ｎ３／Ｎ５）・αを約1/100、可変抵抗RB１７を150 kΩとしたとき、ΔIB２の10 mAの変化に対して15 Vの出力電圧υB１６を得る。つまり、10 mAのビーム電流IB２を約±100 nAの精度で測定できる。さらに、例えば、出力電圧υA１４の閾値を±50 mVと設定すると、これはビーム電流IB２に換算して約±10 nAである。（Ｎ３／Ｎ５）・αを約1/100、可変抵抗RB１７を1.5 MΩとすると、ΔIB２の1 mAの変化に対して15 Vの出力電圧υB１６を得る。つまり、1 mAのビーム電流IB２を約±10 nAの精度で測定できる。このように、出力電圧υA１４の閾値と可変抵抗RB１７の設定を変えることで、適切に測定精度と出力電圧υB１６を調整することができ、ビーム電流IB２の測定レンジは基本的に制限はなくなる。
【００１９】
ビーム電流IB２の強度は、初期状態のビーム電流IB２とその変化ΔIF２８を加算することで求める。実際には、ビーム電流値表示部２２において、IF２８=υC／RCとΔIF２８=υB／RBの和IF２８+ΔIF２８を計算する。そして別途実験で決めておいたIF２８とビーム電流IB２の関係からビーム電流IB２を算出する。
【００２０】
ところで、磁束の変化を打ち消すためのコイル５は、検知コイル１に巻いた構成でも同様の効果が得られる。
（比較例）
図５は従来のビーム電流測定装置の構成例である。従来は、SQUIDチップ１８内に設けた帰還コイル６に帰還電流を流すことでワッシャ―コイル７に磁束を誘起させてビーム電流IB２によって検知コイル１に誘起された磁束を打ち消す構成であった。図２に測定例を示す。測定精度が約2 nAのときは、約3μA以下のビーム電流IB２は線形性良く測定できるが、それ以上は測定できなかった。このように、従来の構成では、プリアンプ１１が一定の電圧以上になり、SQUIDチップ１８内の回路に一定以上の電流が流れるようになると、出力の線形性が保てなくなるという課題があった。よって、プリアンプ１１が一定の電圧以下で対応できるビーム電流強度までしか測定できないという課題があった。それより大きなビーム電流IB２を測定したいときには、ビーム電流IB２に対する出力の感度を低下させる必要があった。しかし、感度の低下により測定精度は低下する。図６に、感度を上記と比較して約1/5にした場合の結果を併せて示した。このとき、約16μA以下のビーム電流IB２までは線形性良く測定できた。一方、測定精度は約10 nAに低下した。
【００２１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によるイオンビーム電流強度測定装置を用いることで、数nAから数μAの高い測定精度を維持して、且つ、ビームを遮断せずに数十nAから数十mAの広い測定レンジでビーム電流を測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるイオンビーム電流測定装置の構成図
【図２】本発明によるイオンビーム電流測定装置の構成図
【図３】電子回路１５の例１を示す図
【図４】電子回路１５の例２を示す図
【図５】従来のビーム電流測定装置の構成図
【図６】従来のビーム電流測定装置の測定例を示す図
【符号の説明】
１    検知コイル
２    ビーム電流IB
３    トランス入力コイル
４    測定部に接続したコイル
５    磁束の変化を打ち消すためのコイル
６    帰還コイル
７    ワッシャーコイル
８    SQUID入力コイル
９    SQUID
１０  直流電源
１１  プリアンプ
１２  積分器Ａ
１３  帰還抵抗RA
１４  出力電圧υA
１５  電子回路
１６  出力電圧υB
１７  可変抵抗RB
１８  SQUIDチップ
１９  超伝導磁気遮蔽で囲まれた範囲
２０  可変抵抗RBの制御部
２１  コンピューター
２２  ビーム電流値表示部
２３  信号出力部
２４  電圧υC
２５  抵抗RC
２６  ファラデーカップ
２７  検知電流IP
２８  帰還電流IF
２９  SQUID入力電流IT
３０  帰還電流If
３１  増幅器
３０  積分器Ｂ
【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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