小型多価イオン源による多価イオンビームの特性
中村信行研究室
金原達彦
1．背景・目的
多価イオンとは、原子から電子を 2 個2．装置
2.1EBIT以上取り除いたイオンであり、太陽コロ我々の研究室で用いているイオン源でナや核融合炉などの高温プラズマ中に存ある電子ビームイオントラップ（EBIT）在する。多価イオンは反応性が非常に高による多価イオン生成の原理を Fig.1 にく、固体表面と衝突させることでナノサ示す。EBIT は主に、電子銃、ドリフトチイズの構造変化を発生させる。また、EUVューブ（DT）、電子コレクターから構成さ（Extreme Ultraviolet）リソグラフィ光源れており、DT の周りには超伝導コイルがなどへの、様々な応用が期待されている。

配置されている。DT1・2・3 の領域では、

我 々 の 研 究 室 で は 、 Tokyo Electron

軸方向には DT に印加される電圧によりBeam Ion Trap (Tokyo-EBIT)［1］と呼ば形成する井戸型ポテンシャル、径方向にれ る 大 型 イ オ ン 源 と 、 Compact

は電子ビームの空間電荷ポテンシャルにEBIT(CoBIT)［2］と呼ばれる小型のイオンよりイオンをトラップする。DT 内部にト源を用いて多価イオンの研究を行っていラップされたイオンは強磁場で圧縮される。Tokyo-EBIT は高価数の重元素多価イた電子ビームにより逐次電離が進み、多オンの生成が可能である反面、中程度の価イオンが生成される。

価数の多価イオンの生成には過剰性能でこの装置では単一の価数のイオンのみある。CoBIT はそのような中程度の価数を生成することは難しく、トラップ領域の多価イオンを効率的に生成するよう設内は様々なイオンが入り混じった状態で計されており、これまで分光研究に用いある。よって、衝突実験を行うには価数分てられてきた。しかし、CoBIT には生成し別能力を持つ装置を用いることで、必要た多価イオンをビームとして引き出すビな価数のイオンのみを取り出す必要があームラインが無く、Tokyo-EBIT で行ってる。

いるような衝突実験が不可能であった。
そこで我々は CoBIT から引き出した多価イオンの衝突実験を可能とする新規ビームラインの構築を行っている。
本研究では、CoBIT より引き出したイオンビームのエミッタンスを測定することでビームの特性を調べた。

Fig.1 多価イオンの生成方法

2.2

新規ビームライン

衝突実験用新規ビームラインはアインツェルレンズ、静電偏向器(ベンダー)、ウような位相図上において、ビームの構成粒子が占める面積をπで割った値により定義される。

ィーンフィルターの 3 つの要素で構成さエミッタンスは、ビーム源により決まれている。まず、CoBIT で生成された多価り、レンズによる収束作用などでは不変イオンはアインツェルレンズにより集束である。

させられる。次にベンダーにて多価イオンのみを 90 度曲げることにより、イオン源内で発生する軟 X 線と多価イオンを分θ離する。最後にウィーンフィルターにより様々な価数を持ったイオンを分別し、選択した価数のイオンのみを引き出す。

rFig.3 位相図3.2エミッタンス測定

エミッタンス測定法の一例を Fig.4 を用いて説明する。ビーム軸からスリットまでの距離を ri,ri-1 とし、検出面でのビームの到達位置を hi,hi-1 とすると、ビームのFig.2 新規ビームライン発散角θi ,θi-1 は近似的に

θi=(hi-ri)/L
３．実験原理3.1

エミッタンス

θi-1=(hi-1-ri-1)/Lと計算することができる。スリット位置

ビームの特性を評価するにあたり、今r を変化させながら発散角θを上記の式

回はイオンビームのエミッタンスを測定より求めることで位相図が作成され、エした。エミッタンスとは荷電粒子ビームミッタンスの値を求めることができる。の集束特性を記述するために用いられる物理量であり、横軸をビーム軸からの距離、縦軸をビームの発散角とした Fig.3 の

検出器

スリット

θri-1riＬ

hihi-1軸

Fig.4 エミッタンス測定

この方法によりエミッタンスを測定するために、Fig.5 のような測定装置を構築した。この測定では、静電偏向器の下流に幅 0.2mm のスリットと位置有感型検出器(PSD)を配置することで、CoBIT より引き出したビームのうちスリットを通過した部分のビームの拡がりを測定ことができ

Fig.5 エミッタンス測定系

る。この測定をスリットの位置を変更しながら多価イオンビーム全体に対して行θうことで位相図が得られる。

[rad]

Ion count

4．実験結果得られた位相図を Fig.6 に示す。これを水平にし、拡大したものが Fig.7 である。
Fig.7 に描かれた楕円の面積を求めるこr [mm]

Ion countとにより、多価イオンビームのエミッタンスが～5mm・mrad 程度であることが分かった。また、スリットを通過したイオンビームの強度分布を調べたところ、ビームの直径が約 18mm 程度であることが判明した。
18mm

r [mm]
Fig.6 多価イオンビームの位相図と強度分布

θIonでは十分に集束できていないことがわかった。よって、今後の展望としてビームをより集束させるために、静電偏向器の再設計、もしくは静電偏向器を通した後にビームを集束させるための静電レンズを取り付ける必要があると考えられる。

Fig.7 多価イオンビームの位相図

また、CoBIT 内に設置しているアインツrェルレンズを含め、軌道計算を再度行い、改造・改良を行う必要がある。

5．考察
実験結果より診断したビームのエミッタンスは～5mm・mrad であった。この

7．参考文献値を他の EBIT と比較すると、Table.1 よ［1］Hirofumi WATANABE

り他の EBIT 装置と同程度のエミッタン

Characteristics of Tokyo Electron-Beamスであることがわかる。

Ion Trap (1997)

一方で、ビームの直径が約 18mm 程度［2］N.Nakamura Compact electron beamであることは、一般的な EBIT からの多ion trap for spectroscopy of moderate

価イオンビームの直径が数 mm 程度であcharge state ions. (2008)

ることや、ウィーンフィルターのスリッ［3］DREEBIT

ト部の幅が 0.2mm であることを考慮する

http://www.dreebit.com/en/ion_sources/と大きすぎると考えられる。

［4］R.E.Marrs Self-cooling of highly

charged ions during extraction fromイオン源

エミッタンスelectron beam ion sources and traps (1998)〔mm・mrad〕［5］M.Hobein Optimization of theDresden EBIT［3］～10

Stockholm R-EBIT for production andLNNL EBIT［4］～1extraction of highly charged ions (2010)

Stockholm R-EBIT［5］7.2［6］A.T.Gallant TITAN-EBIT — chargeTITAN EBIT［6］15.7±0.5

breeding of radioactive isotopes for high

REX EBIT［7］～10

Table.1 他の EBIT のエミッタンス

precision mass measurements (2010)［7］Charge breeding system
http://isolde.web.cern.ch/isolde/REX-

6．まとめと今後の展望
今回の結果より、CoBIT から引き出された多価イオンビームのエミッタンスは良好であると考えられるが、ビームの直径は 18mm 程度と大きく、現行のレンズ

ISOLDE/rexebis.html