多価イオン照射装置の立ち上げ
中村信行研究室

1.3

1 序論
1.1

岡田凌

多価イオン源

多価イオンを生成する装置の一つに、電子ビーム多価イオンイオン源（Electron Beam Ion Source : EBIS）が多価イオンとは、2 価以上の正または負イオンのある。EBIS は、イオントラップとそれを貫く電子ことであり、原子物理学では多くの電子がはぎ取らビーム、及びコレクター部から構成されている。イれた原子イオンのことを指す場合が多い。原子を電オントラップでは、3 つ以上の円筒電極（ドリフト離させるためには，その束縛エネルギーに等しいエチューブ:DT）による井戸型ポテンシャルと、超伝ネルギーを与える必要があり、多くの電子が取り除導コイルにより圧縮された電子ビームの空間電荷にかれた多価イオンは大きなポテンシャルエネルギーより三次元的にイオンをトラップしている。トラッを持つ。加えて、電離が進むに連れて大きくなる正プしたイオンに電子ビームを照射することで、原子の電荷に打ち勝って電子を剥ぎ取る必要があるたから電子を一つずつはぎ取っていく逐次電離というめ、価数が大きくなるほど多価イオンの持つポテン電離法により、多価イオンが生成される。

シャルエネルギーも大きくなる。

1.4
1.2

多価イオン-固体表面の相互作用

背景と目的

多価イオンを固体表面へ照射し、その二次粒子を多価イオンは価数とともに増大する大きな内部エ検出することで、多価イオン照射による固体表面へネルギーをもつため、固体表面に低速で照射した場の影響を調べることが可能であり、それは核融合実合、1 個の多価イオンにより数百個の 2 次電子が発験炉内壁の照射損傷についての評価につながると考生したり、照射した表面領域が構造変化するなどえられる。また、多価イオンが固体表面の構造に及[1]、中性原子や 1 価イオンとは異なった振る舞いがぼす影響を利用して、カーボンナノチューブなどの見られる。この振る舞いの要因として、多電子移行ナノカーボン材料の欠陥導入に応用できる可能性過程とポテンシャルスパッタリングが挙げられる。

があると考えられる。そのための実験装置として、

多電子移行過程とは、大きなポテンシャルエネル

現在電気通信大学には EBIS 型多価イオン源であギーを持つ多価イオンが固体表面へ近づくことで、る Kobe-EBIS を用いた多価イオン照射装置が設置

固体表面―多価イオン間のポテンシャル障壁が低くされている。この装置は元々神戸大学で運転されてなり、標的表面から多くの電子が多価イオンへ移行いた装置であるが、2021 年 1 月に電気通信大学にする現象である。ポテンシャルスパッタリングは、移設された。移設に伴い装置内の環境や運転条件が多電子移行過程で大量の電子を放出したことで固体変化したことで、各設定値が以前とは異なるものと表面が正に帯電し、クーロン力によって互いに反発なってしまい、満足に運転が行えていないのが現状した結果、二次イオンとして空間中に放出される現である。従って、装置に調整を施すことで現在の環象である。

境で以前と同様の運転が可能となるよう改善することが本研究の目的である。

1

ここで r は円弧の曲率半径、q はイオンの価数、M2 実験
2.1は質量、B は磁場の大きさである。この式において

V は一定であり、偏向電磁石を固定すれば r も一定

実験装置

実験装置として、以下の図 1 に示す通りの多価イになるため、偏向電磁石の磁場を操作することで特オン照射装置を用いた。この多価イオン照射装置は定の質量電荷比のイオンのみを出射スリットへ引き多価イオンを生成する Kobe-EBIS、生成した多価出すことが可能である。また、磁場の操作は偏向電イオンビームの収束及び価数の調整を行いながら照磁石に流す電流を操作することで行う。

射室まで輸送するビームライン、そして多価イオン

2.1.3

照射室

照射室では試料に対し多価イオンビームの減速との固体への照射とその測定が行われる照射室から構固体への照射、測定が行われる。減速は減速レンズ成されている。

により行われており、減速レンズを通過した多価イオンビームは、試料台に設置された固体試料に照射され、試料台の後ろに設置されたファラデーカップ(FC) もしくはマイクロチャンネルプレートによって、それぞれビーム強度と形状が計測される。

2.22.2.1
図1

多価イオン照射装置 [2]実験方法
真空度の改善引き出される不純物イオンの量を減らすため、多価イオンを引き出す際は装置内部を高い真空度で保2.1.1つ必要がある。真空度改善のため、ベーキング及びKobe EBISヘリウムリークテストを行った。ベーキングとは、

Kobe-EBIS は電子ビームを放出する電子銃、イ装置外壁にヒーターを巻き付けてチャンバー全体をオンをトラップして多価イオンを生成する DT 部、加熱することで、装置内壁に付着した不純物をガス電子ビームの回収と多価イオンの引き出しを行うとして放出することを指し、真空ポンプでそれらのコレクター部から構成される。電子銃は熱電子放出

不純物ガスを排気することで真空度を改善すること型であり、電子ビームを放出する際はアノード・スができる。ヘリウムリークテストは、装置外部からノート・フォーカスにかける電圧を調整する。

2.1.2

ヘリウムガスを順次吹き付けていき、質量分析計なビームライン

どで装置内へ漏れ出したヘリウムガスを検出するとビームラインは、生成された多価イオンを収束しいうもので、漏れが検知された部位のネジを増し締てビームとして引き出し、イオンの価数選別を行いめすることで真空度を改善することができる。

ながら照射室まで輸送する役割をもつ。多価イオン

2.2.2の収束にはアインツェルレンズが用いられ、価数選

アルゴン多価イオンの価数分布測定

多価イオン照射装置に気体試料としてアルゴンガ

別は偏向電磁石の磁場を操作することで行われる。

スを導入することで、アルゴン多価イオンの生成及入射スリットを通り偏向磁石の磁界に入射したイオび引き出しを行った。このとき、偏向電磁石の磁場

ンは、ローレンツ力により円弧状に進行していく。

を電流によって走査することで、引き出される多価

このとき、イオンにかかる遠心力とローレンツ力のイオンの質量電荷比を徐々に変化させ、イオン電流つり合い、加速電圧 V と運動エネルギーの関係か値を照射室に設置された FC で計測した。これによら (1) 式が導出される。

り多価イオンビームの価数分布を測定した。また、

(rB)2
M=q2V

その際バックグラウンドとしてガス導入無しの場合(1)の価数分布も測定した。

23 結果及び考察
3.1

真空度の改善ベーキング及びヘリウムリークテストにより、リークチェックで漏れが検知された部分の増し締めを行った。結果として Kobe EBIS 内の真空度は3.4 × 10−7 Pa から 1.1 × 10−8 Pa まで上がり、運図2転可能な目安まで改善された。

3.2

価数分布測定 (1 回目)

電子ビームの引き出し

真空度の改善後、電子ビームのを引き出しを行っ

オンの質量電荷比に近い値を持つ炭素・窒素・酸素た。引き出した当初は Kobe-EBIS とビームラインなどの不純物イオンであると考えられる。各ピークの芯ずれにより電子ビームが装置の内壁や電極に当の価数に関しては不純物イオンとアルゴンイオンたり、アノード電圧を大きくすると装置の自動制御の質量電荷比の大小関係から決定した。例として、が発動して電子ビームが落ちてしまう状態であっ8 価のアルゴンイオンの質量電荷比は 5、3 価の酸たが、水平器を用いて位置関係を調整した結果、電素イオンの質量電荷比は約 5.3、そして 7 価のアル子ビームが安定して引き出せるようになった。表 1ゴンイオンの質量電荷比は約 5.7 である。従って、に、電子ビームの典型的なパラメータを示す。

ガス導入なしの場合の偏向電磁石の電流値が 1.27A

表13.3付近のピークは 3 価の酸素イオンによるものであ

電子ビームの各パラメータり、その両隣に位置するガス導入ありのピークがアエネルギー (keV)

電流値 (mA)/

磁場 (T)

1370

3ルゴンの 7 価と 8 価であると考えられる。図 3 に、移設前の価数分布測定の結果を示す。

アルゴン多価イオンの価数分布測定

電子ビームが安定して引き出せるようになった
後、2.2.2 項で述べた方法によりアルゴン多価イオンの価数分布測定を直流運転モードで行った。このときアルゴンガスの導入量は 6.0 × 10−8 Pa であり、運転条件は表 2 の通りである。
表2

図3

価数分布測定 (1 回目) の運転条件

価数分布測定結果（移設前）[2]

電子エネルギー

電子電流

磁場(keV)(mA)(T)

Ei(keV)

この移設前の測定における運転条件は電子電流値

135033qのみ表 2 と異なり、100mA である。また、運転モー
ドはパルス運転モードである。今回の結果を移設前

ここで、Ei はイオン加速エネルギーを表す。結の結果と比較すると、イオン電流値は全体的に小さ果は図 2 の通りとなった。イオン電流値のピークにく、高価数のアルゴン多価イオンが出ていない。そおいて、アルゴンガス導入有りの値がアルゴンガスこで、アルゴンガスの導入量を 1.2 × 10−7 Pa に増導入無しの値を上回っている部分が多いうえ、ピー

やし、運転モードをパルス運転モードに変更して再クの数も多いことからアルゴン多価イオンは引き出

び価数分布測定を行った。その際、電子ビーム・イせていると考えられる。アルゴンガス導入無しの場

オンビームに関する各パラメータは電子電流値のみ合のピークについては、測定範囲のアルゴン多価イ

表 2 から変更し、70mA とした。図 4 にその結果を3示す。に、引きだされるイオンの質量電荷比の範囲を変更するため、偏向電磁石の位置調整を行った。その後、アルゴン多価イオンの価数分布測定を行った結果を以下の図 6 に示す。

図4価数分布測定 (2 回目)

1 回目の測定結果に比べ、アルゴンガス導入無し
図6の場合のイオン電流値が全体的に低くなったため、価数分布測定結果 (4 回目)不純物イオンの量は減少したと考えられる。また、

11 価のアルゴン多価イオンが新たに観測できたも運転条件は前回の測定と同様である。ピーク数、のの、まだ移設前に比べ高価数イオンが引き出せてイオン電流値は 2 回目までの測定結果と同等に戻っおらず、各ピークのイオン電流値は依然低いままでたが、高価数のイオン電流値のピークが小さくなある。そこで、アルゴン多価イオンを引き出した状

り、低価数のイオン電流値のピークが大きい状態と態で、FC につながれた電流計でそのイオン電流値なってしまった。これは低価数のアルゴン多価イオを見ながら Kobe- EBIS とビームラインの位置関

ンを引き出しやすい位置に偏向電磁石を移動してし係を調節することで、電流値が最大となるような位まったからであると考えられるため、高価数のイオ置に変更した。そしてその後価数分布測定を行った

ン電流値が大きくなるような偏向電磁石の位置を調結果、図 5 のような結果になった。

べる必要があると考えられる。

4 結論
移設前と同様の運転を可能にするために多価イオン照射装置の立ち上げを行い、多価イオンを照射室へ引き出すことまで可能になった。しかし、引き出すことができた多価イオンの価数は、移設前に観測されていたものよりも低く、ピークのイオン電流値も大幅に小さいものとなった。従って、今後の展望
図5

価数分布測定結果 (3 回目)

としては、移設前に観測されていた価数までのアルゴン多価イオンを、より大きなイオン電流値で安定運転条件は前回の測定と同様である。2 回目に比して引き出せるよう、さらに調整していくことが望

べ、イオン電流値が 7 倍程度大きくなったものの、ましいと考えられる。

ピーク数は大幅少なくなった。また、ガス導入無し

参考文献の場合のイオン電流値が非常に小さく、ガス導入ありの場合のピーク数も考慮すると、アルゴン多価イ[1] 櫻井誠・大谷俊介・坂上裕之 第 52 回真空にオンが正確に引き出せていない可能性がある。そこ

関する連合講演会プロシーディングス

で、アルゴンガス導入部分を見直し、質量分析計で[2] 西田尚史 修士論文 神戸大学 (2017)

装置内でのアルゴンガスの検知を確認した。さら4