特開 2023-182924 ビーム電流測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023182924

(43)【公開日】2023-12-27

(54)【発明の名称】ビーム電流測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01T 1/29 20060101AFI20231220BHJP

   H05H 7/00 20060101ALI20231220BHJP

【ＦＩ】

G01T1/29 B

G01T1/29 C

H05H7/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022096180

(22)【出願日】2022-06-15

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100145816

【弁理士】

【氏名又は名称】鹿股 俊雄

(74)【代理人】

【識別番号】100195718

【弁理士】

【氏名又は名称】市橋 俊規

(74)【代理人】

【識別番号】100196003

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 太郎

(72)【発明者】

【氏名】大崎 一哉

(72)【発明者】

【氏名】佐古 貴行

(72)【発明者】

【氏名】川崎 泰介

【テーマコード（参考）】

2G085

2G188

【Ｆターム（参考）】

2G085BA16

2G085CA19

2G085CA22

2G085CA27

2G188BB13

2G188BB14

2G188CC40

2G188DD10

2G188DD24

(57)【要約】

【課題】ビーム電流測定装置の簡素化及び小型化、並びに製造コスト及び作業負担の軽減化を図る。
【解決手段】真空容器１０の内部に配置され、導体筒１と、前記導体筒の底面に設けられたスリット２と、前記導体筒の外周に設けられた二次電子抑制機構４と、から構成されるビーム電流測定部２０と、前記ビーム電流測定部を支持するとともに位置調整を行う支持部材６と、前記スリットの位置調整を行うスリット開閉機構８と、前記ビーム電流測定部で検出されたビーム電流値を前記真空容器の外部に設けられたビーム信号受信部１２へ出力するビーム電流読取り機構７と、を備えたビーム電流測定装置１００において、前記支持部材、スリット開閉機構及びビーム電流測定部は、前記真空容器に設けられた同一のポート９に接続されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

真空容器の内部に配置され、導体筒と、前記導体筒の底面に設けられたスリットと、前記導体筒の外周に設けられた二次電子抑制機構と、から構成されるビーム電流測定部と、
前記ビーム電流測定部を支持するとともに位置調整を行う支持部材と、
前記スリットの位置調整を行うスリット開閉機構と、
前記ビーム電流測定部で検出されたビーム電流値を前記真空容器の外部に設けられたビーム信号受信部へ出力するビーム電流読取り機構と、を備えたビーム電流測定装置において、
前記支持部材、スリット開閉機構及びビーム電流測定部は、前記真空容器に設けられた同一のポートに接続されていることを特徴とするビーム電流測定装置。

【請求項2】

前記スリットは２以上に分割されていることを特徴とする請求項１記載のビーム電流測定装置。

【請求項3】

前記導体筒及びスリットを絶縁体により分割し、分割された導体筒及びスリットにそれぞれ前記ビーム電流読取り機構を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載のビーム電流測定装置。

【請求項4】

前記分割された導体筒及びスリットからのビーム電流を、前記ビーム電流読取り機構を介して同一のビーム信号受信部へ出力することを特徴とする請求項３に記載のビーム電流測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、粒子線加速器等で用いられるビーム電流測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

粒子線加速器中を輸送される荷電粒子線等からなるビームは、下流側でのビーム輸送効率とビーム形状を調整するため、ビーム電流、ビームの実空間分布及び位相空間分布等のビーム空間分布を測定する必要がある。

【0003】

ビーム電流測定は、一般的に粒子線加速器を構成する真空容器中に導電体のカップを配置し、ビームをカップに入射させるとともに、導電体のカップから反跳する電子を閉じ込めることで行われる。

【0004】

また、ビームの実空間分布及び位相空間分布等のビーム空間分布測定はスリットをビームの輸送経路に挿入し、スリット開口部から下流に輸送されるビームを導電体のカップで測定することで行われる。

【0005】

このビーム電流測定とビーム空間分布測定は、それぞれ別々の測定装置を真空容器に設けられた異なるポートから挿入して測定することが一般的である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】実開平４－１０１３９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上述したように、粒子線加速器中を輸送されるビームのビーム電流測定、実空間分布測定及び位相空間分布測定等のビーム空間分布測定は、ビームの輸送効率の向上と、ビーム形状の調整に必要である。

【0008】

しかしながら、従来の粒子線加速器では、真空容器の異なるポートからビーム電流測定装置とビーム空間分布測定装置を挿入し、ビーム電流測定とビーム空間分布測定を行っていた。そのため、必要なポート数は、ビーム電流測定では１つ、ビーム空間分布測定では水平、垂直のスリット調整機構でそれぞれ２つずつの最大４つ、合計で最大５つのポートが必要となり、真空容器のポート数が増え真空容器の形状が複雑化するとともに大型化し、さらに製造コスト及び組立てに要する作業負担も増加するという課題があった。

【0009】

本発明に係る実施形態は、このような課題を解決するためになされたもので、ポートの数を少なくすることにより、測定精度の向上と、真空容器の簡素化及び小型化、並びに製造コスト及び機器組立てのための作業負担の軽減化を図ることができるビーム電流測定装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題を解決するために、本実施形態に係るビーム電流測定装置は、真空容器の内部に配置され、導体筒と、前記導体筒の底面に設けられたスリットと、前記導体筒の外周に設けられた二次電子抑制機構と、から構成されるビーム電流測定部と、前記ビーム電流測定部を支持するとともに位置調整を行う支持部材と、前記スリットの位置調整を行うスリット開閉機構と、前記ビーム電流測定部で検出されたビーム電流値を前記真空容器の外部に設けられたビーム信号受信部へ出力するビーム電流読取り機構と、を備えたビーム電流測定装置において、前記支持部材、スリット開閉機構及びビーム電流測定部は、前記真空容器に設けられた同一のポートに接続されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

本発明の実施形態によれば、ビーム電流測定装置の簡素化及び小型化、並びに製造コスト及び作業負担の軽減化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】第１の実施形態に係るビーム電流測定装置の構成図。

【図2】第１の実施形態の変形例１に係るビーム電流測定装置の構成図。

【図3】第２の実施形態に係るビーム電流測定装置の構成図。

【図4】第２の実施形態の変形例２に係るビーム電流測定装置の構成図。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明に係るビーム電流測定装置の実施形態について、図面を参照して説明する。

【0014】

［第１の実施形態］
第１の実施形態に係るビーム電流測定装置について、図１を用いて説明する。

【0015】

（全体構成）
第１の実施形態に係るビーム電流測定装置１００は、真空容器１０、真空容器１０の側面に設けられたポート９、ポート９に取付けられた支持部材６を介して真空容器１０の内部に配置されたビーム電流測定部２０から構成される。

【0016】

＜ビーム電流測定部＞
ビーム電流測定部２０は、カップ状の導体筒１、導体筒１の底面に設けられ、スリット開口部３の幅を調整する開閉可能なスリット２、導体筒１に形成された二次電子抑制機構４、とから構成される。

【0017】

導体筒１は、断面が円形、楕円形又は矩形状で、導体筒１の断面積とビーム５の断面積に大きな乖離を生じさせずに、ビーム５を効率よく捕獲できる大きさとし、スリット２は導体筒１の底面を完全に覆うことのできる形状とすることが望ましい。

【0018】

スリット２は導電性の板からなり、荷電粒子線等からなるビーム５の一部をスリット開口部３から選択的に通過させる。スリット２に衝突したビーム５はビーム電流としてビーム電流読取り機構７及びポート９を介して外部のビーム信号受信部１２に出力される。

【0019】

この導体筒１及びスリット２は電気的に同電位で、導体筒１及びスリット２と二次電子抑制機構４は電気的に絶縁されている。絶縁方法は導体筒１及びスリット２と二次電子抑制機構４の間に絶縁材を挿入するか、又は導体筒１及びスリット２と二次電子抑制機構４を異なる支持機構で支持し非接触にする等の手段が考えられる。

【0020】

二次電子抑制機構４は、導体筒１の外周に沿って設けられたリング型の部材が用いられるか、又は導体筒１の断面を覆うメッシュ部材が用いられる（図示せず）。この二次電子抑制機構４には、スリット２に衝突したビーム５により導体筒１及びスリット２の表面から放出される二次電子を抑制するため負の電圧が印加される。

【0021】

導体筒１、スリット２及び二次電子抑制機構４の材質としてはＳＵＳ、鉄、アルミニウム等の導電性の板で構成されるか、又は表面の少なくとも一部を金属鍍金等の導電性素材で覆ったプラスチック等の絶縁体で構成される。

【0022】

＜真空容器及びポート＞
真空容器１０の内部は、ターボ分子ポンプ、イオンポンプ、ロータリーポンプ、ドライポンプ、スクロールポンプ等の真空ポンプにより、真空状態に保持されている。

【0023】

真空容器１０の内部を輸送されるビーム５は、電子線、陽子線、炭素イオン等の正又は負の電荷を持つ荷電粒子線が用いられる。これらの荷電粒子線は、イオン源や電子銃で生成され、必要に応じて加速器で加速された後にビーム輸送系を経由して真空容器１０中のビーム電流測定部２０まで輸送される（図示せず）。

【0024】

ビーム電流測定部２０を支持し位置調整を行う支持部材６は、真空容器１０の外部に設けた駆動機構により、ポート９を介してビーム電流測定部２０の位置調整を行う（図示せず）。また、スリット開口部３の大きさを変化させるスリット開閉機構８は、真空容器１０の外部に設けた駆動機構１３により、ポート９を介してスリット２の位置調整を行う。

【0025】

これらの位置調整機構は、例えば、真空容器１０に接続されたベローズ等を用いた直線導入器、回転導入器等の導入器のほか、直線状の棒をウィルソンシール等で軸シールすることで真空状態を保持しつつ、支持部材６やスリット２の位置調整を行う。

【0026】

なお、外部から位置調整を行う代わりに、真空容器１０の内部に設けたモーター等の駆動部材により位置調整を行ってもよく、その際は、モーターの信号線がフィードスルー等を用いて真空容器１０の外部に取り出され、外部電源により位置調整が行われる（図示せず）。

【0027】

本実施形態では、支持部材６、スリット開閉機構８及び後述するビーム電流読取り機構７は、真空容器１０の側面に設けられた同一のポート９に接続される。

【0028】

＜ビーム電流読取り機構＞
ビーム電流読取り機構７において、ビーム電流を検出する信号検出線は、一端を導体筒１の側面及びスリット２の外周部に沿って配置し、測定されたビーム電流信号は信号検出線及びポート９を介して外部に設けられたビーム信号受信部１２に出力される。

【0029】

具体的には、導電性素材によるワイヤー又は板形状の信号検出線を絶縁カラー、ワッシャー及びボルト等で導体筒１及びスリット２との間に設けられた間隙に固定するようにしてもよいが、信号検出線を絶縁材で構成された接着剤により導体筒１及びスリット２表面に固定するようにしてもよい。

【0030】

ビーム電流読取り機構７の電圧読み取り端子として、例えば、Ｎコネクタ、Ｍコネクタ、ＢＮＣコネクタ、ＳＨＶコネクタ等が用いられる。

【0031】

（作用）
上記のように構成されたビーム電流測定装置において、ビーム電流測定部２０にビーム５が入射されると、導体筒１及びスリット２に衝突したイオンがビーム電流信号として測定される。

【0032】

ビーム電流測定部２０の支持及び位置調整を行う支持部材６と、ビーム電流を測定し外部へ出力するビーム電流読取り機構７と、スリット開口部の大きさを調整するスリット開閉機構８は、全て同一のポート９に接続されており、効率的なビーム電流測定と機器の小型化、組立作業負担の軽減化を図ることができる。

【0033】

（効果）
本実施形態によれば、ビーム電流測定部２０の支持部材６、ビーム電流読取り機構７及びスリット開閉機構８を、全て同一のポート９に接続し、ポート数を最小限にしたことにより、測定精度の向上と、真空容器の簡素化及び小型化、並びに製造コスト及び機器組立てのための作業負担の軽減化を図ることが可能となる。

【0034】

（変形例１）
変形例１は、図２に示すように、スリット２が水平方向及び垂直方向の２方向で開口幅を調整可能な構成となっている。これにより、高精度のビーム電流測定、実空間分布測定及び位相空間分布測定を行うことができる。

【0035】

この水平方向及び垂直方向に調整可能なスリット開閉機構８は、従来ではそれぞれ複数の異なるポート９に接続していたが、本実施形態では同一のポート９に接続したことにより、上記第１の実施形態と同様に、真空容器の簡素化及び小型化、並びに製造コスト及び機器組立てのための作業負担の軽減化を図ることが可能となる。

【0036】

なお、本変形例では、スリット２は４分割されているが、３分割又は５以上に分割するようにしてもよい。

【0037】

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係るビーム電流測定装置について、図３を用いて説明する。なお、上記実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複説明を省略する。

【0038】

（構成）
本第２の実施形態では、導体筒１及びスリット２が絶縁体１１により２分割されており、分割された導体筒１及びスリット２のビーム電流は、ビーム電流読取り機構７ａ、７ｂを介して外部のビーム信号受信部１２ａ、１２ｂへ出力される。

【0039】

絶縁体１１の材質としてはセラミック、テフロン（登録商標）、ゴム等が用いられ、導体筒１及びスリット２にボルトによる接続、はめ合い又は粘着剤等により固定される。
なお、本実施形態では、導体筒１及びスリットを２分割しているが、３以上に分割してもよい。

【0040】

（作用、効果）
本第２の実施形態によれば、導体筒１及びスリット２が絶縁体１１で分割されていることにより、分割された領域ごとのビーム電流を独立に測定することが可能となる。

【0041】

これにより、分割された領域ごとのビーム電流を独立に測定することで、ビーム５の実空間分布を高精度で測定することができる。また、従来のビーム分布測定機器を用いることなく、単に、導体筒１及びスリット２を分割することで、ビーム５の実空間分布を高精度で測定することが可能となる。さらに、ビーム電流測定装置１００を構成する機器の簡素化及び小型化を図ることができる。

【0042】

（変形例２）
図３に示す第２の実施形態では、ビーム電流読取り機構７ａ、７ｂをそれぞれ異なるビーム信号受信部１２ａ、１２ｂに出力しているが、本変形例２では、図４に示すように、同一のビーム信号受信部１２に出力する。このビーム信号受信部１２としては、例えば、オシロスコープ、ＡＤコンバータ、及び必要に応じてそれらを制御するためのプログラマブルロジックコントローラ、ＶＭＥクレート、ＣＡＭＡＣクレート、コンピュータ等が用いられる。

【0043】

このように、本変形例２は、絶縁体１１で分割された導体筒１及びスリット２からのビーム電流を、ビーム電流読取り機構７ａ、７ｂを介して、同一のビーム信号受信部１２に入力することで、絶縁体１１で分割された導体筒１及びスリット２ごとのビーム電流を同時刻で測定、解析することができるため、ビームの時間構造を確認、解析することが可能となる。

【0044】

また、本変形例２によれば、絶縁体１１で分割された導体筒１及びスリット２ごとのビーム５の進行方向分布を測定することが可能となる。これにより、絶縁体１１で分割された導体筒１及びスリット２ごとのビーム５の進行方向分布を把握することができるため、例えば、下流側へのビーム輸送効率を上げるためにビーム５の進行方向分布が一様な領域を選択することが可能となる。

【0045】

以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0046】

１…導体筒、２…スリット、３…スリット開口部、４…二次電子抑制機構、５…ビーム、６…支持部材、７、７ａ、７ｂ…ビーム電流読取り機構、８…スリット開閉機構、９…ポート、１０…真空容器、１１…絶縁体、１２、１２ａ、１２ｂ…ビーム信号受信部、１３…駆動機構、２０…ビーム電流測定部、１００…ビーム電流測定装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】