小型イオン源から引き出された多価イオンビームの評価
電気通信大学大学院 情報理工学研究科 先進理工学専攻
応用物理工学コース 中村信行研究室 谷中 佑樹

1．背景・目的ームは図 2.1 のような電位配置によって加我々の研究室では Tokyo-EBIT と呼ばれ速され，磁力線に沿って動径方向に圧縮さる電子ビームイオントラップ(Electronれながら DT に入射する．中央のドリフト

Beam Ion Trap; EBIT)型多価イオン源をチューブ電極(DT2)の電位を両極(DT1, 3)用いて分光・衝突実験を行っている．

より低くすることにより井戸型ポテンシャ

Tokyo-EBIT は高エネルギー電子ビームにルを形成し，生成されたイオンを電子ビーより高度に電離した重元素多価イオンを生ムの軸方向に閉じ込める．また高密度電子成することができるが，低価数あるいは中ビームの空間電荷ポテンシャルによりイオ程度の価数の多価イオンには過剰性能であンは径方向にも封じ込められる．こうしてる．そのため研究室では，低価数多価イオ

DT2 領域内部にトラップされた多価イオンン生成に適した低エネルギー仕様の小型がビーム電子との逐次衝突を受け，電離がEBIT(Compact EBIT; CoBIT)を 2007 年に進み多価イオンが生成される（これを逐次製作した[1]．これまで CoBIT では生成・電離と呼ぶ）．DT を通過した電子は電子コトラップしたイオンの分光研究のみが行わレクターで発散し回収される．一般に電子れてきたが，本研究では衝突実験を可能とビームのエネルギーを高くするとより高価するために，CoBIT で生成された多価イオ数のイオンを生成することができ，電子ビンを高効率で引き出し，輸送するビームラームの電流を高くするとより多くのイオンインを製作し，その評価を行った．

を生成することができる．

2．原理
2.1 電子ビームイオントラップ(EBIT)
電子ビームイオントラップ(EBIT)
電子ビームイオントラップ(EBIT)[2]は，多価イオンの分光測定を主な目的として開発されたイオン源である．図 2.1 に EBITの多価イオン生成原理図を示す．この装置は大きく分けて電子銃，トラップ領域，電子コレクターの 3 つから成る．トラップ領域は 3 つのドリフトチューブ(Drift Tube;DT)電極と，DT の周りに軸方向強磁場を形成するヘルムホルツ型超伝導コイルから成図 2.1：EBIT の多価イオン生成原理図．

り立っている．電子銃から出射した電子ビ
1トラップされた多価イオンを引き出す場

極の円筒電極から構成されたアインツェル

合は，図 2.2 に示したようなリークモード

レンズの(a)形状と(b)内側の電極に電圧をとパルスモードの 2 つのモードを用途別に印加した際の等電位線を示す．内電極に用いる．リークモードでは，DT1 に印加す正・負どちらの電圧を印加しても集束作用る電圧を DT3 に印加する電圧より高くしはあるが，加速電圧に対して極性が逆の電た状態を保つ．トラップ領域内の多価イオ圧を印加した場合は色収差が小さくなるもンは電子と衝突することにより加熱され，のの，印加電圧の絶対値が非常に大きくな

その結果，イオンが DT3 のポテンシャル障ってしまう．

壁を乗り越えられるだけのエネルギーを得たとき，多価イオンはビームとして引き出される．一方パルスモードでは，DT2 の電圧を DT1, 3 より低くすることにより目的の多価イオンを生成するまでの間トラップした後，DT2 の電圧を DT3 の電圧と等し

図 2.3：アインツェルレンズの(a)形状およびいかそれ以上の値まで上げることにより，(b)ビームが集束している様子．

トラップ領域内で生成された多価イオンを2.3 ウィーンフィルター強制的に引き出す．DT1 の電圧を DT3 のウィーンフィルターは図 2.4 に示す通り，電圧より高くすることでイオンが電子銃方

電場 と磁場 が垂直でかつ各々がイオン向に行くことを防ぐ．

ビームにも垂直になるように配置したものである．イオンはウィーンフィルター内においてクーロン力を受けるが，とローレンツ力/ の速度を持つ多価イオンに対しては両者が釣り合うため直進する．
ウィーンフィルターは速度分析器として動作するが，イオン源から一定電圧で引き出された多価イオンの速度は価数質量比に依存するため，価数分析器として用いること
図 2.2：引き出しモード(DT は左から順に DT1,ができる．

2, 3)．①リークモード，②パルスモード．

2.2 アインツェルレンズ
3 つの円筒電極で構成され，両極の電極電位が等しい静電レンズである．レンズ通過前後でビームエネルギーを変化させることなく集束させることができる．図 2.3 に 3

図 2.4：ウィーンフィルターの模式図．

2

3.2 ウィーンフィルター

3．多価イオン引き出し系の製作

本実験で用いたウィーンフィルターの模3.1 静電レンズ

式図を図 3.2 に示す．磁石は長さ 90mm，

図 3.1 に製作した静電レンズを示す．イ

幅 15mm，厚さ 3mm のネオジウム磁石で，オンの輸送と集束のため，2 つのアインツ

間隔は 10mm，中心磁場 1300Gauss であェルレンズを CoBIT の液体窒素容器中央る．電極は長さ 90mm，幅 14mm，厚さの空間に配置した．内径 46mm の円筒状の15mm のアルミニウムを用いており，間隔空間に図のような形状の電極を組み込むたは 5mm である．スリット幅は 0mm からめ，レンズ内径は 20mm とした．その内径2mm まで可変となっている．また，電極おで最適な条件を求めるために SIMION と呼よび磁極の周りを軟鉄で囲むことにより，ばれるシミュレーションソフトを用いて軌入射多価イオンに対する漏れ電場と漏れ磁道計算を行った．その結果，電極間距離場の影響を極力抑えている．

2mm，外電極の長さ 24mm，内電極の長さ8mm と決定した．また図 3.1 に示すように，アインツェルレンズの間にディフレクターを設置した．ディフレクターは長さ 49mm，内径 20mm の円筒を 50 度の角度で切り分けたような形状をしており，ビームの軌道
図 3.2：ウィーンフィルターの模式図．

を微小角変える役割を持つ．各ディフレク
ターは互いに向きが 90 度異なっており，それぞれ一方向に多価イオンビームを偏向さ4．評価せる．

4.1 全イオン数の測定
ウィーンフィルターで価数選別を行う前に，CoBIT から引き出された価数非選別のイオン数を測定した．実験系の模式図と実験条件を図 4.1 に示す．CoBIT 内に Kr ガスを導入し，生成された多価イオンをリークモードで引き出したのち，入口直径10mm のファラデーカップで計測したとこ
ろ，2.6pA であった．平均価数を 10 価とす
るとイオン数は10 counts/s に相当する．

図 3.1：静電レンズ系．(a)模式図．(b)写真．

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クモードとし，電子ビームエネルギーをKr25+まで生成可能な 1.18keV としたときの引き出し結果を図 4.3 に示す．25 価までの Kr イオンが理論上生成可能であるが，高価数のイオンの存在は確認できなかった．

図 4.1：全イオン数測定のための実験系と実験

図 4.3：リークモードでの Kr 多価イオン引き条件．

出しの結果．

4.2 リークモードによる引き出し

4.3 パルスモードによる引き出し

次にウィーンフィルターを CoBIT に取パルスモードで Kr イオンを引き出したり付け，価数分析を行った．実験系の概要

結果を図 4.4 に示す．リークモードのとき

図を図 4.2 に示す．
CoBIT に Kr を導入し，より高価数のイオンを引き出すことができ，ウィーンフィルターのスリット幅 0.2mm，かつイオン計測数も増加した．しかしながDT1=488V，DT2=436，DT3=450V のリーら再現性に乏しく，1 価イオンすら検出できなかったり，パルスモードでも高価数イオンが引き出せなかったり等，掲載したもの以外のデータでは全く違う結果になってしまうことが多々あった．理由としてはイオンが輸送されている途中で電荷交換してしまっていること，ウィーンフィルター内外での電磁場の遮蔽が不十分であること等が考えられる．

図 4.2：CoBIT での評価実験の装置図．

4

図 4.5：エミッタンスの測定方法．
図 4.4：パルスモードでの Kr 多価イオン引き出しの結果．

4.4 エミッタンスの測定4.3 では高価数イオンを引き出し，価数選別することに成功したが，4.1 で得たイオン総数に比べ価数選別されたイオンの数が少
図 4.6：エミッタンス図．

ないことが分かった．そこでその原因を探るために，エミッタンスの測定を行った．
エミッタンスはビームの広がりや指向性な実験装置の模式図を図 4.7 に示す．
CoBIT

どに関連する性質を表すのに用いられる物

から引き出した Kr を幅 0.25mm のスリッ理量で，エミッタンスの値が小さいほど広トに通し，位置有感型検出器で検出した．

がりの少ない質のいいビームであると言えまた，スリットから検出器までの距離はる．測定原理を図 4.5 に示す．測定対象の160mm とした．図のようにスリットを動か

ビームをスリットで区切り，適当な距離をし，ビーム軸からのスリットの距離 を変化おいて到達ビームを検出する．スリットのさせてビームの発散角 を得た．スリットをビーム軸からの距離 ，検出面での軸からの通り抜けたイオンビームの検出器上でのイ

距離 ，スリットから検出面までの距離 よ

メージから得たエミッタンス図を図 4.8 にり，ビームの発散角 は近似的に示す．これより，CoBIT から引き出した多/ と表される．スリットの位置

価イオンビームのエミッタンスは約 5 [mmを変えて測定を繰り返し，得られる結果をmrad]であることが分かった．また，ビー横軸 ，縦軸 にとった位相図上にプロット

ム径は約 18mm であった．

すると，図 4.6 のような閉曲線が得られる．
このような図をエミッタンス図と呼び，この閉曲線の面積を で割った値がエミッタンスとなる．

5

効率が小さすぎるなどの問題が見つかった．
この原因を探るためにエミッタンスを測定したところ，値としては十分であるが，ビームサイズが大きく，アインツェルレンズ一組だけではビームを集束し切れていない可能性が判明した．
今後の予定としては，多種多様な元素の多価イオンで試験して必要なデータを蓄積していくことと，再現性がない原因を特定し，それを改善することである．また，ビ図 4.7：エミッタンス測定のための実験系．

ームを十分に集束するため，静電偏向器の直後にももう一組アインツェルレンズを設置する必要がある．更に，イオンの引き出しと同時にトラップ領域の様子を分光測定により明らかにすることも重要である．ト
ラップ内で多価イオンが生成されているにも関わらず引き出せない場合は，ウィーン
フィルター内外における電場や磁場の遮蔽，

図 4.8：エミッタンス図．

静電偏向器，スリット等をもう一度検討すべきであると考えられる．加えて，ウィー

6．まとめと今後の展望
まとめと今後の展望

ンフィルターの電磁極の形状や長さ，電磁本研究では，CoBIT で生成された多価イ場の遮蔽方法などについても最適な条件をオンを引き出して衝突実験を可能にするた

再検討して改良することで CoBIT のビーめのビームラインを製作した．多価イオン

ムラインの性能向上を図りたい．

ビームを集束させるためのアインツェルレ
ンズ，軌道を微小角偏向させるディフレク
ター，電子ビーム回収の際に発生する軟 X
線とイオンを分ける静電偏向器を製作し，価数分析器としてウィーンフィルターを用

参考文献：
参考文献：

いてこれらの性能評価を行った．

[1] N. Nakamura, H. Kikuchi, H. A.
Sakaue and T. Watanabe, Rev. Sci.

アインツェルレンズは軌道シミュレーションソフト SIMION を使用して設計した．

Instrum. 79, 063104 (1988)

図 4.4 から，今回使用したウィーンフィル[2] M. A. Levine, R. E. Marrs, J. R.

ターには高価数のイオンを分別させるだけ

Henderson, D. A. Knapp and M. B.の十分な性能があることが分かった．しかSchneider, Physica Scripta T22, 157

し，引き出し効率が安定しない，引き出し(1988)
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