JP5813536B2 - イオン源 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光の照射によりイオンを発生させるイオン源に関する。

一般に、イオン源においてイオンを発生させる方法としては、例えばガス中に放電を起こすことによってイオンを得る方法が知られている。この場合、放電を起こすためには、マイクロ波または電子ビームを利用することができる。

一方、レーザを用いてイオンを発生させる技術がある（例えば、特許文献１及び２を参照）。このようにレーザを用いてイオンを発生させるイオン源では、レーザ光を固体ターゲットに集光照射し、当該レーザ光のエネルギーによって当該ターゲットに含まれる元素を蒸発・イオン化してプラズマを生成し、当該プラズマ中に含まれるイオンをプラズマのまま輸送し、引き出しの際に加速することでイオンビームを作り出すことができる。

このようなイオン源によれば、固体ターゲットへのレーザ照射によるイオンの発生が可能であり、多価イオンの発生に有利である。

特許第３７１３５２４号公報 特開２００９−０３７７６４号公報

ところで、上述したようなイオン源において発生したイオンには、複数の価数のイオンが混在する。

この場合、例えばイオン源の後段に高周波加速の線形加速器を用いることによって必要な価数のイオンのみを選択的に輸送することは可能であるが、イオン源単体では、不要な価数のイオンを除去することはできない。

そこで、本発明の目的は、不要なイオンを除去することが可能なイオン源を提供することにある。

本発明の１つの態様によれば、下流機器である線形加速器と接続されたイオン源であって、真空排気された真空容器と、前記真空容器内に配置され、レーザ光の照射により複数の価数のイオンを発生するターゲットと、前記ターゲットによって発生されたイオンを加速させるために電圧が印加され、イオンを加速・集束するための電場を生成する加速電極と、前記ターゲットと前記加速電極との間に設けられ、前記ターゲットによって発生された複数の価数のイオンのうち予め定められた価数のイオンに応じた電圧値として前記加速電極に印加される電圧の逆電圧が印加され、イオンを集束させる中間電極とを具備することを特徴とするイオン源が提供される。

本発明は、不要なイオンを除去することを可能とする。

本発明の第１の実施形態に係るイオン源の構成の概略を示す断面図。 中間電極５に入射されるイオンを表す特性図。 中間電極５に正電場を印加した場合のイオンを表す特性図。 本発明の第２の実施形態に係るイオン源の構成の概略を示す断面図。

以下、図面を参照して、本発明の各実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施形態に係るイオン源について説明する。図１は、本実施形態に係るイオン源の構成の概略を示す。本実施形態に係るイオン源は、例えばレーザ光をターゲットに集光照射し、当該レーザ光のエネルギーによって当該ターゲットに含まれる元素を蒸発・イオン化することによってイオンを発生させるレーザイオン源である。

図１に示すように、イオン源は、真空容器１、ターゲット２、コリメータ３、加速電極４及び中間電極５を備える。

真空容器１は例えばステンレス製であり、当該真空容器１内にはターゲット２が配置される。なお、真空容器１は、図示しない排気系により真空排気される。

ターゲット２は、真空容器１内でレーザ光１０が集光照射されることによって複数の価数のイオンを発生する。具体的には、例えば真空容器１内に備えられた集光レンズ（図示せず）を用いて集光されたレーザ光１０がターゲット２に照射されることにより、レーザアブレーションプラズマ（以下、単にプラズマと表記）１１が生成される。このプラズマ１１には、上記したイオン源において目的とするターゲット物質の多価イオンが含まれる。なお、ターゲット２は、例えばカーボン系の板状部材である。

コリメータ３は、ターゲット２及び加速電極４との間に設置され、ターゲット２にレーザ光１０が照射されることによって生成されたプラズマ１１から不要なプラズマを排除する。

加速電極４は、コリメータ３を介して輸送されたプラズマ１１に含まれるイオンを加速させるために電圧が印加される。これにより、加速電極４では、プラズマ１１に含まれるイオンを加速・集束するための電場が生成され、当該イオンが加速される。なお、加速電極４により加速されたイオンは、最終的にイオン１２としてイオン源から出射される。

中間電極５は、コリメータ３と加速電極４の間に設置され、加速電極４に印加される電圧の逆電圧が印加される。

次に、本実施形態に係るイオン源の動作について説明する。なお、本実施形態に係るイオン源において発生するイオンは、ターゲット２に含まれる元素に起因するイオンであり、複数の価数のイオンが混在している。ターゲット２としては、例えばカーボンターゲット等が含まれる。

まず、真空容器１内に配置されたターゲット２に対して、集光レンズを用いて集光されたレーザ光１０が照射される。この場合、ターゲット２ではプラズマ１１が生成される。ターゲット２がカーボンターゲットである場合には、プラズマ１１には、例えばＣ^６＋〜Ｃ^１＋までのイオンが混在している。なお、プラズマ１１は、コリメータ３によって不要なプラズマが除去されて、中間電極５に入射される。

ここで、中間電極５では上記したように加速電極４に印加される電圧の逆電圧が印加されており、当該電圧値を上記したイオン源において目的とするターゲット物質の多価イオンに応じた最適な値に設定することにより、プラズマ１１に含まれる複数の価数のイオンのうち例えばクラスターイオン等の速度の遅いイオンは、中間電極５を通過することができない。これにより、下流に不要なイオンが流入することを回避することができる。

なお、中間電極５の形状及び電圧をイオンの集束に最適な形とすることで、イオンの起動を制御し、イオンの収率を向上させることも可能である。

中間電極５を通過したイオンは、加速電極４において加速される。なお、加速電極４において加速されたイオンは、イオン１２としてイオン源から出射されて当該イオン源の外部（例えば、線形加速器等）に輸送される。

なお、プラズマ１１に含まれる複数の価数のイオンはそれぞれ飛行速度が異なる。このため、プラズマ１１に含まれる複数の価数のイオンの各々は、例えば中間電極５において観測される時間が異なる。この特性を利用し、例えばイオン源において目的とするターゲット物質の多価イオン（つまり、イオン源において目的とする価数のイオン）の飛行速度に応じたタイミングで、中間電極５にパルス駆動電圧を印加する（つまり、中間電極５をパルス駆動する）ことで、プラズマ１１に含まれる複数の価数のイオン（つまり、ターゲット２において発生された複数の価数のイオン）のうち当該イオン源において目的とする価数のイオンのみを通過させる（つまり、加速電極４に輸送する）ことが可能となる。

ここで、図２は、例えば中間電極５に入射されるイオンを表す。図２に示すように、中間電極５に入射されるイオンには、イオン源において目的とするターゲット物質の多価イオン及び不要なイオン等が含まれている。

図３は、加速電極４で印加される電圧の逆電圧（例えば、正電場）が中間電極５に印加された場合のイオンを表す。

図３に示すように、加速電極４で印加される電圧の逆電圧が中間電極５に印加されることによって、図２に示す不要なイオンが除去されている。

また、図３に示すように、ターゲット２がカーボンターゲットである場合、中間電極５で観測されるイオンには例えばＣ^６＋〜Ｃ^１＋までが混在する。

このＣ^６＋〜Ｃ^１＋は上記したようにそれぞれ飛行速度が異なるため、図３に示すように、Ｃ^６＋〜Ｃ^１＋は、中間電極５で観測される時間が異なっている。

このような場合において、イオン源において目的とする価数のイオンがＣ^６＋であるものとすると、当該Ｃ^６＋が通過する間のみ電圧を下げるように中間電極５をパルス駆動させ、それ以外の間はイオンが通過できないように電圧を印加することによって、中間電極５ではＣ^６＋のみを通過させることが可能となる。

なお、ここではＣ^６＋がイオン源において目的とする価数のイオンであるものとして説明したが、例えばＣ^６＋以外であっても、目的とする価数のイオンの飛行速度に応じたタイミングで中間電極５をパルス駆動させることによって、当該目的とする価数のイオンのみを通過させることができる。

上記したように本実施形態においては、真空排気された真空容器１と、当該真空容器１内に配置され、レーザ光の照射により複数の価数のイオンを発生するターゲット２と、当該ターゲット２によって発生されたイオンを加速させるために電圧が印加される加速電極４と、ターゲット２と加速電極４との間に設けられ、当該加速電極４に印加される電圧の逆電圧が印加される中間電極５とを備える構成により、クラスターイオン等の速度の遅いイオンは中間電極５を通過することができないため、不要なイオンを排除することができる。

また、本実施形態においては、イオン源において目的とする予め定められた価数のイオンの飛行速度に応じたタイミングで中間電極５にパルス駆動電圧が印加される構成により、当該目的とする価数のイオンのみを加速電極４に通過させることができる。

なお、本実施形態においては、上記したイオン源において目的とする価数のイオンの飛行速度に応じたタイミングで、当該目的とする価数のイオンのみを加速するように加速電極４にパルス駆動電圧が印加される（当該加速電極４をパルス駆動させる）構成とすることも可能である。

（第２の実施形態）
次に、図４を参照して、本発明の第２の実施形態に係るイオン源について説明する。図４は、本実施形態に係るイオン源の構成の概略を示す。なお、図４においては、前述した図１と同様の部分には同一参照符号を付してその詳しい説明を省略する。

図４に示すように、本実施形態に係るイオン源は、加速電極４より下流に補助電極６を備える点が、前述した第１の実施形態とは異なる。

本実施形態においては、加速電極４によって加速されたイオンのうち、予め定められた価数のイオン（つまり、イオン源において目的とする価数のイオン）を輸送するように補助電極６にパルス駆動電圧が印加される（つまり、当該補助電極６がパルス駆動される）。これにより、目的の価数のイオンのみを下流に輸送することができる。

なお、補助電極６が設置される位置及び当該補助電極６に印加される電圧を調整することで、当該補助電極６におけるパルス駆動のパルス幅を長くすることも可能である。これにより、目的とする価数のイオン以外のイオンの混在率を低減することが可能となる。

上記したように本実施形態においては、加速電極４の下流に設置された補助電極６を備え、加速電極４において加速されたイオンのうち予め定められた価数のイオンを輸送するように補助電極６にパルス駆動電圧を印加する構成により、イオン源において目的とする価数のイオンのみを輸送することが可能となる。

なお、本願発明は、上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。例えば、各実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組合せてもよい。

１…真空容器、２…ターゲット、３…コリメータ、４…加速電極、５…中間電極、６…補助電極。

Claims (3)

1. 下流機器である線形加速器と接続されたイオン源であって、
   真空排気された真空容器と、
   前記真空容器内に配置され、レーザ光の照射により複数の価数のイオンを発生するターゲットと、
   前記ターゲットによって発生されたイオンを加速させるために電圧が印加され、イオンを加速・集束するための電場を生成する加速電極と、
   前記ターゲットと前記加速電極との間に設けられ、前記ターゲットによって発生された複数の価数のイオンのうち予め定められた価数のイオンに応じた電圧値として前記加速電極に印加される電圧の逆電圧が印加され、イオンを集束させる中間電極と
   を具備することを特徴とするイオン源。
2. 前記中間電極は、前記ターゲットによって発生された複数の価数のイオンのうち予め定められた価数のイオンの飛行速度に応じたタイミングで当該イオンを前記加速電極に輸送するようにパルス駆動電圧が印加されることを特徴とする請求項１記載のイオン源。
3. 前記加速電極の下流に設置された補助電極を更に具備し、
   前記補助電極は、前記加速電極において加速されたイオンのうち前記予め定められた価数のイオンを前記補助電極の下流に輸送するようにパルス駆動電圧が印加される
   ことを特徴とする請求項１または２記載のイオン源。

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