電子ビームイオン源のパルス運転による出力強度変化について
中村信行研究室

高岡竜嗣

1 序論
1.1

多価イオン

多価イオンとは、一般的に 2 価以上の正または負のイオンのことであるが、原子物理学においては中性原子から多くの電子を取り去った正のイオンを指すことが多い。原子から電子を引き離すには、その束縛エネルギーと同じだけのエネルギーが必要であり、加えて内殻の電子ほど必要なエネルギーは大きくなる。ゆえに結果として生成される多価イオンは電離させた電子の束縛エネルギーの総和だけポテンシャルエネルギーを持っており、価数が高くなるほどそのエネルギー量は膨大である。また、多価イオ

図 1 EBIS の概略図

ンは同じ元素であっても価数を変えると発光スペクトルも変化する性質を持ち、遷移の種類も数多く存在するため、多様なスペクトル線を持つことが知らポテンシャルと、超伝導コイルで圧縮した電子ビーれている。

ムによって発生する空間電荷を利用してイオンをト1.1.1

ラップする仕組みである。そしてトラップされたイ多価イオン源

オンにその電子ビームを照射して逐次電離を行うこ多価イオンを生成するためには原子に束縛されている電子にエネルギーを与えて電離させる必要とで、多価イオンを生成する。

がある。今現在、低速多価イオンを生成するため1.1.2

パルス運転の装置として広く利用されているものは 2 種類存

本研究の実験装置である多価イオン照射装置には在し、電子サイクロトロン共鳴イオン源（ElectronKobe-EBIS を使用している。Kobe-EBIS は多価

Cyclotron Resonance Ion Source : ECRIS) と電イオンと固体表面の相互作用の研究を目的として、

子ビームイオン源（Electron Beam Ion Source :2005 年に神戸大学にて製作された。Kobe-EBIS はEBIS）がある。本実験で扱うのは後者の EBIS で先述の通り、電子銃から電子ビームを引き出して、ある。図 1 に EBIS の概略図を示す。

井戸型ポテンシャル内にトラップした原子に衝突エ

EBIS は基本的にイオントラップ、電子銃、及びネルギーを与えることでイオン化する仕組みであコレクター部から構成されている。イオントラップるが、運用の際は多価イオン生成効率向上のため、の内部には、ドリフトチューブ（DT）と呼ばれる円電子ビームをパルス運転している。その理由は電筒電極が 3 つ以上ある。そして DT による井戸型子ビームを OFF にする際に、空間電荷によってトラップされていた目的外の不要なイオンが追い出さ

1

れることで、高価数イオンをトラップ内に蓄積でき化するのかを観測するため、いくつかの条件でイオる状態に戻すためである [1]。

ン電流値の測定実験を行った。今回使用した気体試

1.2

研究目的

料はアルゴンであり、価数選別によって 16 価、11多価イオンはポテンシャルエネルギーが低価数価、6 価の 3 つの多価イオンを引き出し、それぞれのイオンや中性原子に比べて非常に高いため、固のイオンでパルス運転による出力変化を記録した。

体表面に照射することで特異な反応を示す。Kobe-

また、パルス運転は任意波形発生器の数値を設定す

EBIS を用いた多価イオン照射装置はこの分野の研ることで、1s,2s,5s,10s,20s の 5 つの周期で実験を究をさらに先へ進める可能性のある極めて希少な装行った。ただし、電子ビームを OFF にする時間は置である。従って、本研究では Kobe-EBIS が電子すべての周期で 1ms とした。

ビームのパルス運転の周期によって観測される多価3 結果及び考察イオンの電流値が変化することに着目し、パルスの周期や OFF にする時間に対するイオン電流値の測3.1

時間に対するイオン強度特性定および比較を行い、最も効率的に装置を運転でき3.1.1

16 価アルゴン多価イオンるパルス運転の設定を解明することを目的とする。

16 価アルゴン多価イオンについて、パルス周期1s、5s、20s の際の時間-イオン電流値のグラフを図2 実験
2.1

3〜図 5 に示す。これらの図を見ると、あるタイミ実験装置

ングでイオン電流が急激に上昇して極大となった

本実験で使用した多価イオン照射装置の全体図を後、すぐに低下し始めており、その傾向を 1 周期ご

図 2[2] に示す。とに繰り返していることが分かる。また、図 5 から、電子ビームが OFF になる少し前からイオン電流値の減少が緩やかになり、およそ 6.5pA に漸近していることが見て取れる。これは電子ビームを連続運転した際のイオン電流値と近似できると考えら
れ、連続的に運転した際にトラップされた目的外のイオンの増加によって多価イオンの生成効率が低下してしまい、パルス運転がより効率的な運転方法で

図2

多価イオン照射装置の概要図 [2]

装置は大きく分けて 3 つの部分で構成されている。多価イオンを生成する電子ビームイオン源である Kobe-EBIS、生成された多価イオンの収束及び価数の調整を行うことでビームとして引き出し照射室まで輸送するビームライン、多価イオンを固体表面へ照射してその反応を観測することができる照射室である。

2.2

図 3 16 価アルゴン多価イオンの時間-イオン強実験方法

度特性 (周期:1s)

Kobe-EBIS の電子ビームをパルス運転することによって、多価イオンビームの出力がどのように変2

3.1.211 価と 6 価のアルゴン多価イオン比較のため 11、6 価アルゴン多価イオンについて、パルス周期を 20s にした際の時間-イオン電流値のグラフを図 6、図 7 に示す。

図 4 16 価アルゴン多価イオンの時間-イオン強度特性 (周期:5s)

図 6 11 価アルゴン多価イオンの時間-イオン強度特性 (周期:20s)

図 5 16 価アルゴン多価イオンの時間-イオン強度特性 (周期:20s)あることを示唆している。さらに、周期が短いほど1 周期内での電流値変化の幅が小さく、より高い出力を維持している時間が多いことが見て取れ、パル

図 7 6 価アルゴン多価イオンの時間-イオン強度ス周期 1s が最も生産効率の高い運転方法であると特性 (周期:20s)考察できる。加えてこれらの傾向は 11、6 価アルゴン多価イオンの場合でも現れ、3 種類の価数とも非これらの図を見ると、16 価の場合では直線的に変常に近い傾向を観測することができた。

化していたのに対して、11 価や 6 価では細かな電示された波形の最大値を見ると、周期が短いほど流値の増減が続く傾向があることが分かる。この結大きい値まで電流が上昇していることが分かる。こ果についても、多価イオンが磁場や電子ビームの空の結果については、高価数のイオンほど磁場や円筒間電荷から受けるポテンシャルエネルギーの差が関電極から受けるポテンシャルが深いため、電子ビー係しており、価数の低いイオンほどよりポテンシャ

ム が OFF の間も多価イオンは完全に追い出されル障壁を超える可能性が高いために出力が不安定にることなくイオントラップ内に残る。つまり周期がなると推測する。

短いほど、ON の際にトラップ内の不純物イオンは3.2無いがアルゴン多価イオンは多く存在するという状

パルス周期に対する時間平均イオン強度

これまでに得たグラフから、それぞれの価数イオ態で開始されるからではないかと考察する。

ン及びパルス周期について時間平均イオン電流値を3求めた。3 つの価数それぞれに対して、パルス周期に対する時間平均イオン強度特性を表すグラフを図8〜図 10 に示す。これらの図から、実験したどの価数においても周期が長くなるほど時間平均イオン強度が低くなる傾向にあり、20s よりも周期が長い場合についても、低下が続いていくと推測出来る。加
えて 3 つのグラフを比較すると、パルス周期時間の増加に対する時間平均イオン強度の低下率は 16 価が圧倒的に大きいことが観測できた。加えて、周期が長い場合ほど電子ビームを連続的に運転した場合
図 10 6 価アルゴン多価イオンのパルス周期-時のイオン強度に近いと言える。従って、パルス運転

間平均イオン強度特性によるイオン生成効率の向上はより高価数のイオンほど効果が大きいものであると判断できる。

4 結論
本研究では多価イオンと固体表面間の相互作用研究の目的で開発された多価イオン源である Kobe-EBIS について、電子ビームをパルス運転した際のアルゴン多価イオンの出力変化の観測を目的として実験を行った。結果としてパルス周期 1s 以降は周期が長いほど時間平均出力が低下すること、周期が20 秒を超えるとピークに比べて非常に低い電流値に漸近していくことが分かった。加えて、最も高価数である 16 価のアルゴンイオンが、周期を伸ばした際の時間平均イオン強度の低下の割合が最も大き

図 8 16 価アルゴン多価イオンのパルス周期-時いため、より高価数なイオンほど電子ビームのパル間平均イオン強度特性

ス運転が効率的な運転方法になると実証することができた。
一方で、本実験では短いパルス周期の際に 1 周期あたりのデータ数が少なく、詳細な波形を記録することができなかった。従ってより詳細に多価イオンの出力変化を記録できる方法を探し、さらに短いパルス周期にした場合などの多価イオン強度も調べていくことが今後の課題である。

参考文献[1] 櫻井誠・大谷俊介・坂上裕之 電子ビーム多価イオン源の特性

J. Vac. Soc. Jpn.

[2] 早乙女京吾 修士論文 電気通信大学 (2022)

図 9 11 価アルゴン多価イオンのパルス周期-時間平均イオン強度特性4