小型多価イオン源用ビームラインの製作
電気通信大学院 情報理工学研究科
先進理工学専攻 中村信行研究室 八釼 純治
1.目的
我々の研究室では電子ビームイオント

ビームはカソードとドリフトチューブとのラップ(EBIT)型多価イオン源である Tokyo間で加速され、磁場によって高密度に圧縮-EBIT、CoBIT を用いて研究を行っている。

された状態でイオン化領域(トラップ領域)

Tokyo-EBIT では高エネルギー電子ビームを通過し、電子コレクターで回収される。

により高度に電離した重元素多価イオンを電子銃から出射した電子ビームは図 2.１(b)生成し、発光測定や多価イオンビームを用のような電位配置によって加速され、磁力いて固体表面との相互作用の研究やプラズ線に沿って動径方向に圧縮されながらドリマ中での原子過程の一つである二電子性再フトチューブに入射する。中央の電極(DT2)結合(Dielectronic Recombination: DR)のと両端の電極(DT1、DT3)で井戸型ポテンシ測定などが行われている。しかし、Tokyo-ャルを形成し、生成されたイオンを軸方向EBIT は低価数のイオンの生成には過剰性に封じ込める。また、高密度電子ビームの能である。一方 CoBIT は低価数イオン生成

空間電荷によりイオンは径方向にも閉じ込に適した低エネルギー仕様の小型 EBIT で、められる。こうして DT2 内部に閉じ込めら分光測定のみが行われてきた。そこで、本れたイオンが電子の逐次衝突を受け、電離研究では CoBIT で生成された多価イオンが進み多価イオンが生成される。DT を通過を高効率で引き出し、多価イオンビームをした電子ビームは電子コレクター領域で発用いた研究を可能とするためのビームライ散し回収される。

ンを製作することを目的とした。

CoBITの最大電子エネルギーは 2.5 keV、最大電子ビーム電流は 20 mA であり、鉄2.原理であれば最高24価の多価イオンが理論上生

2.1 Electron Beam Ion Trap (EBIT)成可能である。低エネルギー、低磁場仕様

構成要素は大きく分けて①電子銃、②トのため全長約 50 cm と、装置全体の大幅なラップ領域、③電子コレクターの 3 つから小型化が可能となった。またコイルには高成る（図 2.1(a)）
。トラップ領域は 3 つのド温超伝導体を用いているので液体窒素のみリフトチューブ（Drift Tube：DT）と DT のでの運転が可能で、液体ヘリウムを必要と周りに超伝導コイルが配置されており、ビするTokyo-EBITに比べて運転コストが安ーム軸上に図 2.1(c)のような強磁場を形成価である。

する。トラップ粒子と電子の衝突エネルギ

トラップされたイオンを引き出す場合は、

ーは電子銃と中央のドリフトチューブ

図 2.2 に示したような Leaky モードと(DT2)との電位差によって決定され、電子Dumping モードの 2 つのモードを用途別に用いる。Leaky モードでは DT3 にかける

2.2 アインツェルレンズ

電圧を DT1 にかける電圧より低くするこ

3 つの電極で構成され、外側の電極電位とで多価イオンを引き出す。電子とのクーが等しい静電レンズで、レンズの通過前後

ロン衝突により加熱されたトラップ内の多でビームのエネルギーを変化させることな価イオンが DT3 のポテンシャル障壁を乗く収束させることができる。代表的な形状

り越えられるだけのエネルギーを得た時、は円筒電極または開孔のある平行平板を対トラップから漏れ出す。Dumping モードで向させたものである。内電極に正・負の電は、望みの価数の多価イオンを生成するま圧どちらを印加しても収束作用はあるが、での間トラップした後、DT2 の電圧を DT3イオン源における加速電圧に対して極性がの電圧より高くすることにより、トラップ逆の電圧を印加した場合は色収差が小さく内で生成された多価イオンを強制的に引きなるものの、非常に大きくな印加電圧が必出す。

要となる。
図 2.3 は 3 極の円筒電極から構成されたアインツェルレンズの形状で、図 2.4 は内側の電極に電圧を印加した際の等電位線とアインツェルレンズ内を通過するイオンの軌道を示す。

図 2.3 円筒型アインツェルレンズの形状
電極 1(a)(b)電極 2電極 3(c)図 2.1 EBIT 概略図(a)電極配置, (b)中心軸上の電場, (c)磁場DT1DT2DT3

図 2.4 アインツェルレンズ内部のイオンビーム軌道
2.3 ウィーンフィルター
ウィーンフィルターは図 2.5 に示すよう
図 2.2 引き出しモード

な電極による電界 E と磁石による磁界 B が①Leaky モード, ②Pulse モード

垂直で、且つ各々がビームにも垂直となる

ように配置された価数分析器である。イオの長さ 24 mm、内電極の長さ 8 mm と決定ンはウィーンフィルター内においてクーロした。またアインツェルレンズの間には静を受けるが、v電偏向器を配置した。偏向器は長さ 49 mm= E/B の速度を持つ多価イオンに対しては内径 20 mm の円筒を 50 度の角度で切り分両者が釣り合うため直進する。ウィーンフ

けた様な形状をしており、ビームの軌道をィルターは速度選別器として動作するが、尐角変える役割を持つ。図 3.1 に示したよ

イオン源から電圧 V0 で引き出された多価うに各偏向器は互いに向きが 90 度異なっ

イオンの運動エネルギーは、素電荷 e、質ており、それぞれ一方方向に多価イオンビ量 m、価数 q、速度 v0 を用いてームを偏向させる。このような円筒形の形

ン力とローレンツ力(2.1)

状は、平行平板を用いた偏向器と比べてイで表され、引き出されたイオンの速度は電オンビームが通過する際に縁からの影響、荷質量比(q/m)に依るため、価数分析器としつまり漏れ電場の影響を受けにくくなるこて用いることができる。とや、アクセプタンスを大きくすることがスリットを設けることで価数が異なるイ可能であるなどの利点がある。

オンは遮断されて、特定価数のイオンのみを取り出すことができる。また、永久磁石を用いることができるため、小型・軽量に作ることができる。

電極 -VSq+ vvB<E0vB=E00

磁極vB>E0

図 2.5 ウィーンフィルター模式図

3.ビームライン製作

図 3.1 静電レンズ系 : (a)模式図, (b)写真

3.1 静電レンズ系
図 3.1 に製作した静電レンズ系を示す。
イオンビームの輸送と収束のため、2 つのアインツェルレンズを配置した。CoBIT 引

3.2 ウィーンフィルター
図 3.2 のように x、y、z 軸を定義し、,としたとき

き出し直後の内径 46 mm の円筒状の空間各軸方向の運動方程式は次式で表される。に図のような形状の電極を組み込むため、(3.1)

レンズ内径は 20 mm とし、最適な条件を求(3.2)

めるために市販ソフト SIMION を利用して(3.3)

軌道計算を行い、電極間隔 2 mm、外電極

ここで、m はイオンの質量、q はイオンの価数、e は素電荷である。

まで可変とした。

初期条件が( x, y, z ) = ( 0, 0, 0 )、の場合、
時刻 t における位置 x(t)、z(t)は次式のようになる。

図 3.2 Wien filter 動作図

CoBIT からの引き出しの電圧を 400 V、ウィーンフィルター内の一様磁場 1300 G、電図 3.3 Wien filter 内の Ar9+と Ar10+の軌道極間隔 10 mm、印加電圧 85 V として xz 平面内において角度 で 9 価と 10 価の Ar がウィーンフィルターに入射してきた際の軌道を図 3.3 に示す。9 価イオン、10 価イオンいずれも 140 mm 付近で集束していることから、この条件下では電極・磁極の長さを 140mm にすれば 9 価と 10 価を高分解能で分離することが可能である。
計算と SIMION での軌道シミュレーションの結果を基に製作したウィーンフィルター試作器を図 3.4 に示す。用いた磁石はネ

図 3.4 Wien filter 試作器

オジウム磁石(表面磁束密度約 2000 G)で、(a)模式図, (b)外観図

長さ 140 mm、幅 12 mm、厚み 5 mm、磁石間隔は 18 mm とした。このとき磁極中心4.評価の磁束密度は約 1300 G となる。磁石は取4.1 静電レンズ系の評価

り外しが簡単になるように、図 3.4(b)のよ

CoBIT 内に Ar または N ガスを導入し、うに真空内ではなく真空外に取り付けた。

生成された多価イオンを引き出してその数電極には長さ 140 mm、幅 10 mm、厚み 1を Micro Channel Plate (MCP)で計測した。

mm のアルミニウムを用いており、電極間装置概略図を図 4.1 に示す。MCP は CoBIT隔 10 mm、スリット幅は 0 mm から 2 mm

内部で発生する X 線を検知してしまうので、引き出した多価イオンビームの軌道をベン

4.2 ウィーンフィルターの評価

ダーで 90 度曲げた後に MCP に入射するよ

イオン銃と CoBIT を用いてウィーンフうにした。ベンダーには内外の電極に大きルターの性能評価を行った。イオン銃を用さの等しい正負の電圧をそれぞれ印加した。

いた実験では、生成したイオンを 3 kV またベンダーに印加した電圧を変化させたときは 5 kV で加速させてウィーンフィルターのベンダーの直後(①)とディフレクター(磁に入射した。様々なガスやスリット幅など石を取り外したウィーンフィルター)直後

色々な条件下で実験を行い、スリット幅を(②)に MCP を配置したときの多価イオン

0.25 mm として、窒素を導入し 3 kV で加の計測数を図 4.2 に示す。レンズ系に電圧速した結果で分解能(ピークの座標 M と半を印加していないときの計測数が 100 cps

値全幅δM を用いて、M/δM) 40 程度を得以下であったのに対して、どちらの結果もた。この結果はウィーンフィルターが25000 cps 以上となっていることから、レCoBIT で生成される多価イオンの価数分析ンズ系は適切に作用していると言える。

器として十分な分解能を有していることを示していたため、実際に CoBIT に接続して実験を行った。実験の概略図は図 4.1 と同じで、スリット幅 2 mm とした。図 4.3 は引き出し電圧 400V、電子ビームエネルギーは 11 価までを生成可能な 600 eV での Arの Leaky モードでの結果である。ピークはいずれもガスの圧力を大きくすることでカウントも増加するため Ar のものであると予想できるが、様々な電子ビームエネルギーでトラップの状況を変化させた場合でも高価数イオンの存在は確認できなかった。

図 4.1 実験装置の概略図

また、現れたピークも計算値とはズレており、詳しく同定することはできなかった。

図 4.3 Leaky モードでの Ar の結果
図 4.2 各位置でのイオン計測数

Dumping モードでは DT2 の電圧を上げーム軌道シミュレーションを行った結果をる方法と DT3 の電圧を下げる方法の 2 つの基に、その形状を決定した。ウィーンフィ

方法で実験を行った。どちらもカソード電ルターは計算に基づいて形状を、SIMION

圧は 500 V、Dumping の間隔は 2 Hz で、の結果から磁場強度を決定し、試作器を製導入ガスは Ar を用いた。DT1 = 430 V、作した。イオン銃を用いたウィーンフィル

DT3 = 420 V として DT2 の電圧を 400 V

ターの評価実験から、入射スリット幅 0.25から 450 V に上げる方法でウィーンフィル

mm のとき、M/δM = 40 程度の分解能があターの電極電圧を掃引した結果を図 4.4 にることがわかった。一方、試作器を CoBIT

示 す 。 DT2 を 制 御 し て 行 っ た 実 験 で はビームラインに取り付けたときの性能評価

Leaky モードや DT3 を制御して行った結果

実験では、不明な点が多いため、今後追加とは異なり、3 価以上のイオンと思われる実験により明らかにすることが必要である。

ピークを観測した。しかしながら再現性が今後の予定としては、トラップの深さや悪く、磁石の取り付け精度に敏感なことか引き出しエネルギーに対する依存性などを、ら、ウィーンフィルター内外において電磁多種多様な元素の多価イオンで試験して、場の遮蔽が不十分であることなどが考えら様々な結果を蓄積していくことと再現性がれる。

無い原因を特定し、それを改善することである。また、イオンの引き出しと同時にト350

ラップ領域の様子を分光測定により明らか
Ar
DT1=430V
DT2=400→450V
DT3=420V

300にする。例えば Ar であれば、2p-3s 遷移(波長 4.87 nm)を観測することで、8 価の存在250を確認することができる。トラップ内で多200価イオンが生成されているにもかかわらずウィーンフィルター後方で検知できない場

150
050

100

150200Wien filter 印加電圧(±V)

図 4.4 DT2 制御 Dumping モードの結果

合は、ベンダーやウィーンフィルターの電磁極の形状や長さ、電磁場の遮蔽方法などを再検討し改良することで、CoBIT ビーム

5. まとめ本研究では CoBIT で生成された多価イオンを引き出し、衝突実験を可能にするための専用ビームラインを製作した。多価イオンビームを収束させるためのアインツェ
ルレンズ、軌道を小角偏向させる偏向器、イオンを 90 度偏向させるための静電ベン
ダー、価数分析器としてウィーンフィルターを製作し、これらの性能評価を行った。
アインツェルレンズは SIMION を用いてビラインの性能向上を図る。