半導体用ଵ‫ݗ‬エネルギー重イオン注入器の研究開発
土屋和利 1, A) , 畑 寿֬ A) , 山本和男 A,B) , 林崎֩託 A) , 服൉俊幸 A)A)

東京工業大学原子炉工学研究所〒152-8550 東京ற目‫ݪ‬区大岡山 2-12-1
B)

理化学研究所〒351-0198 埼玉県和光市広沢 2-1

概要
半導体用‫ݗ‬エネルギー重イオン注入器の 1st リ
ニアックとして、‫ݗ‬周波を用いた APF 収束方法と他の線形加速器に比べシャントインピーダンスが格段に‫ݗ‬い IH 型加速空洞を取り入れた APF-IH型線形加速器を提案した。今回は、共振周波数が65MHz , 入射エネルギーが 20keV/u、出射エネル
ギーは 140keV/u であり、75As8+ を最大 10MeV まで加速できるようになっている。以上の数値をもとに軌道‫ڐ‬算等を行い、ドリフトチューブテーブ
ルを作成し、1/2 スケールモデルを০‫・ڐ‬製作した。このモデルを使った摂動法によるモデル測定の 結 果 と 、 現 在行 っ て い る Ansosft HFSS(HighFrequency Structure Simulator )を用いた数値஢磁場ӕ析の結果を報告する。

1.

はじめに半導体生成過程において、必要なしきい値஢圧や抵抗を作るために、イオン（不純物）注入が行われる。そこで我々は、不純物として用いられる
75
As8+, 31P6+, 11B2+等の重イオンを‫ݗ‬エネルギーまで加速できるようなイオン注入器の 1st リニアックとして、APF-IH 型の線形加速器を提案した。加速器内のビームの収束には、‫ݗ‬周波による RF
defocusing power を利用した APF (Alternating PhaseFocus）収束方法を採用し、加速構造は小型で、低エネルギー領域においてシャントインピーダンスが格段に‫ݗ‬い IH 型のドリフトチューブ構造を採用した。
安定した APF-IH 型線形加速器を০‫・ڐ‬製作するために、モデル測定の結果と HFSS によるシミュレーション‫ڐ‬算の結果を比Ԕ・検討していき、IH 型空洞の特性を評価する。

2.

HFSS

Ansoft HFSS は、‫ݗ‬周波空洞内の஢磁場の振る舞いを‫ڐ‬算するためのソフトウェアです。このソフトは、空洞内の஢磁場の振る舞いをより詳細にӕ析するために、ポストプロセッシングができるようになっている。また、このソフトでは以下のような‫ڐ‬算が出来る。
(1) ‫ؼ‬接作用と遠隔作用における基本的な஢磁場のӕ析、境界値問題(2) ポートインピーダンスや伝播定数の特性(3) S パラメーターの‫ڐ‬算(4) 空洞の固有モードや共振周波数の‫ڐ‬算

2.1

Eigenmodes

Eigenmode の‫ڐ‬算では、空洞の共振周波数とその時の஢磁場を求める事が出来る。HFSS では、
Eigenmode は以下の行列方程式で‫ڐ‬算される。

Sx + k 02Tx = 0
S と T は形状やメッシュに依存する行列である。
x は஢場のӕを示している行列である。k0 は各モードに対応する自由空間における波数である。この波数は、共振周波数に比例している。

f =
2.2

k0c
2p

Quality Factor

HFSS における Q 値(Quality Factor)は‫ؼ‬似値である。Eigenmode の場合、ポートやソースが制限されるため、‫ڐ‬算された Q 値にはこれらのソースによるエネルギーロスが含まれていない。HFSS
では、以下の式を用いて‫ؼ‬似的な Q 値が‫ڐ‬算されている。

表 1：摂動法による共振周波数

Re( freq)Q=
2 ⋅ Im( freq)

3.

共振周波数測定3.1 1/2 モデル測定
モデル測定においては、直径 1mm のアルミニウム摂動球を用いた摂動法により、共振周波数と஢場を測定した。リッジの形状を変化させ、それぞれ共振周波数の測定を行った。荷஢粒子の加速に適した஢場になるようにリッジを調整した。摂動法の装置図を図１に示す。

図２：摂動法による஢場測定

3.2 HFSS による測定

図１：摂動法
摂動法により測定した共振周波数と஢場の結果は以下の通りである。
πモード

০定値

測定値

共振周波数[MHz]130124.0162

現在、Ansoft HFSS を用いて‫ݗ‬周波空洞内の数値஢磁場ӕ析を行っている。最初に、リッジやドリフトチューブがない円筒空洞共振器で‫ڐ‬算を行い、次にリッジを挿入した場合、ステムとドリフトチューブを挿入した場合と分けて‫ڐ‬算を行います。現在は、‫ڐ‬算精度やコンピューターの限界との関連を見るために‫ڐ‬算の基本パラメーター(mode 数,⊿fMAX 等）を変えて最適値を探しながら、‫ڐ‬算が進行中である。また円筒空洞共振器の共振周波数(TE111-mode)は以下の式を用いても‫ڐ‬算が出来る[4]。

cf = 02p2Êp ˆÊ 1.841 ˆÁ ˜ +Á˜ËL¯Ë r ¯

2(1)

ここで L : 空洞のସさ、r : 空洞半径である。
この式を用いて算出した共振周波数の値と、これまでに結果が出ている数値‫ڐ‬算による共振周波数の値（一例）を以下に示す。また、参考までに HFSSのポストプロセスの図を示す。
共振周波数[GHz] (TE111mode)
式(1)0.660282

HFSS
0.660004表 2：円筒空洞内の共振周波数[4] B.Krientenstein,T.Weiland,THDarmstadt,GermanyU.Ratzinger, R.Tiede, GSI, Darmstadt,Germany S.A.Minaev,
MEPhI, Moscow,Russia “NUMERICAL SIMULATION
AND MODEL MESUREMENTS OF THE NEW GSI
IH-DTL”

図２：円筒空洞共振器

4. まとめ
IH 型の加速器の問題として、ギャップ間の஢場分布の平坦化という問題があり、これらは g / l比（g：ギャップସ、l：セルସ）を一定になるように調整し、更にリッジインデューサーを調整する方法がある [1][2] 。しかし、すでに行われた摂動法によるモデル測定では、製作誤差が大きく影‫؜‬したと思われ、g / l 比に誤差が生じ、当初‫ڐ‬算から求めた஢圧・஢場分布との比Ԕが困難であった。
そこで、HFSS を用いて数値‫ڐ‬算を行い、本来の০‫ڐ‬値での஢場分布を求めると同時に、IH 型構造の特性を評価していく予定である。

参考文献[1] U.Ratzinger GSI P.O. 11 05 52, D-6100 Darmstadt,FRG“INTERDIGITAL RF STRUCTURES”

Proceedingsof the 1990 Linear Accelerator Conference 525-529[2] R.E.Laxdal and P.Bricault TRIUMF, 4004 Wesbrook
Mall, Vancouver, B.C.,Canada V6T 2A3 “DESIGN OF
A DRIFT TUBE LINAC FOR THE ISAC PROJECT AT
TRIUMF”
http://linac96.web.cern.ch/Linac96/Proceedings/Tuesday/TUP43/Paper.html[3] U.Ratzinger GSI,P.O.11 05 52,
Germany

D-6100Darmstadt,“The IH-Structure and its Capability toAccelerate High Current Beams” Proceedings of 1991
IEEE

Proceedings of 1998 IEEE