特開 2024-86413 イオン発生装置、およびイオン取り出し方法

(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】P2024086413

(43)【公開日】2024-06-27

(54)【発明の名称】イオン発生装置、およびイオン取り出し方法

(51)【国際特許分類】

   H01J 27/16 20060101AFI20240620BHJP

   H01J 37/08 20060101ALI20240620BHJP

   H01J 37/12 20060101ALI20240620BHJP

【ＦＩ】

H01J27/16

H01J37/08

H01J37/12

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022201524

(22)【出願日】2022-12-16

(71)【出願人】

【識別番号】301032942

【氏名又は名称】国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構

(74)【代理人】

【識別番号】100135781

【弁理士】

【氏名又は名称】西原 広徳

(74)【代理人】

【識別番号】100217227

【弁理士】

【氏名又は名称】野呂 亮仁

(72)【発明者】

【氏名】片桐 健

(72)【発明者】

【氏名】村松 正幸

(72)【発明者】

【氏名】岩田 佳之

(72)【発明者】

【氏名】白井 敏之

【テーマコード（参考）】

5C101

【Ｆターム（参考）】

5C101CC17

(57)【要約】

【課題】簡単な構成で効率よくイオンを取り出すことができるイオン発生装置、およびイオン取り出し方法を提供する。
【解決手段】本発明のイオン発生装置１は、真空中に導入したガスからイオンビーム１ｂを生成するプラズマチャンバー１１と、プラズマチャンバー１１から射出されるイオンビーム１ｂの射出方向の外周を取り囲むように筒状に形成された高電圧壁１７と、高電圧壁１７の内側に配置され、プラズマチャンバー１１から射出されるイオンビーム１ｂが内部を通過する筒状の第１電極１５ａと、高電圧壁１７の内側であって、第１電極１５ａに対し射出方向に離間して配置され、第１電極１５ａを通過したイオンビーム１ｂが内部を通過する第２電極１５ｂを備えている。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

真空中に導入したガスからイオンビームを生成するチャンバーと、
前記チャンバーから射出されるイオンビームの射出方向の外周を取り囲むように筒状に形成された高電圧体と、
前記高電圧体の内側に配置され、前記チャンバーから射出されるイオンビームが内部を通過する筒状の第１電極と、
前記高電圧体の内側であって、前記第１電極に対し前記射出方向に離間して配置され、前記第１電極を通過したイオンビームが内部を通過する第２電極を備えた
イオン発生装置。

【請求項2】

前記第１電極と前記第２電極との前記射出方向における離間距離は、前記第１電極の内径または前記第２電極の内径以上の距離である
請求項１記載のイオン発生装置。

【請求項3】

前記第１電極と前記第２電極との前記射出方向における離間距離は、前記第１電極または前記第２電極の軸線方向の長さ以下の距離である
請求項２記載のイオン発生装置。

【請求項4】

前記第１電極と前記第２電極とを電気的に接続する導電体をさらに備えた
請求項１、２または３記載のイオン発生装置。

【請求項5】

前記第１電極と前記第２電極とを機械的に接続する誘電体をさらに備えた
請求項４記載のイオン発生装置。

【請求項6】

真空中に導入したガスからイオンビームを生成するチャンバーと、前記チャンバーから射出されるイオンビームの射出方向の外周を取り囲むように筒状に形成された高電圧体と、前記高電圧体の内側に配置され、前記チャンバーから射出されるイオンビームが内部を通過する筒状の第１電極と、前記高電圧体の内側であって、前記射出方向に離間して配置され、前記第１電極を通過したイオンビームが内部を通過する第２電極とを備えたイオン発生装置からイオンビームを取り出すイオン取り出し方法であって、
前記第２電極を通過したイオンビームを取り出す
イオン取り出し方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、たとえば、イオンを発生させるイオン発生装置、およびイオン取り出し方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、がん細胞などの患部に荷電粒子（イオンビーム）を照射して治療を行う粒子線治療装置等に用いるイオン源が提供されている。このようなイオン源の一例としては、永久磁石を使用した電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）イオン源が提案されている（非特許文献１参照）。

【0003】

しかしながら、非特許文献１に記載されているような従来技術のイオン源では、引き出し電極内部でイオンビームが発散してビーム幅が拡大し、引き出し電極内壁に衝突してイオンビームの損失が生じるという問題がある。

【0004】

また、イオンビームの発散ないし損失を抑制するために、引き出し電極区間にソレノイド電磁石を設けることも理論上は考えられる。しかしながら、ソレノイド電磁石を設けるためにコストの増大や装置の複雑化および大型化を招き、さらに永久磁石を使用したＥＣＲイオン源ではソレノイド電磁石が永久磁石の磁場に干渉するため、ソレノイド電磁石を設ける方法を採用することは現実的には困難であった。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】M Muramatsu et al.“Development of a compact ECR ion source for various ion production”REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 87 02C110 (2016).

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

この発明は、上述の問題に鑑みて、簡単な構成で効率よくイオンを取り出すことができるイオン発生装置、およびイオン取り出し方法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】

【0007】

この発明は、真空中に導入したガスからイオンビームを生成するチャンバーと、前記チャンバーから射出されるイオンビームの射出方向の外周を取り囲むように筒状に形成された高電圧体と、前記高電圧体の内側に配置され、前記チャンバーから射出されるイオンビームが内部を通過する筒状の第１電極と、前記高電圧体の内側であって、前記第１電極に対し前記射出方向に離間して配置され、前記第１電極を通過したイオンビームが内部を通過する第２電極を備えたイオン発生装置、およびイオン取り出し方法であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

この発明により、簡単な構成で効率よくイオンを取り出すことができるイオン発生装置、およびイオン取り出し方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】イオン発生装置の構成を示す構成図。

【図2】従来技術における引き出し時のイオン分布を説明する説明図。

【図3】本発明の引き出し電極部の周辺の構成を説明する説明図。

【図4A】本発明の引き出し電極部の周辺の電位分布を説明する説明図。

【図4B】本発明の引き出し電極部の周辺の電位分布を測定した測定画像。

【図5】本発明における引き出し時のイオン分布を説明する説明図。

【図6】引き出し電極の下流側端部に到達する電流値を示す説明図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、この発明の一実施形態を図面と共に説明する。
＜イオン発生装置の基本構成＞

【0011】

図１はイオン発生装置１の構成を示す構成図である。イオン発生装置１は、真空中に導入したガスに対して、プラズマ放電をさせることにより、導入したガスの原子から電子を取り除いてイオン化し、所定の方向に射出するイオンビームを生成する装置である。イオン発生装置１の方式としては、ガスの原子をイオン化するための電離エネルギーの供給方法の違いから、イオンビームの生成方式に幾つかの方式がある。

【0012】

本実施形態のイオン発生装置１では、ＥＣＲ放電方式によりガスの原子をイオン化するＥＣＲイオン源（ＥＣＲイオン発生装置）１０を用いている。ＥＣＲイオン源１０は、真空中に導入されたガスに、外部からマイクロ波パワーを印加し、プラズマ放電のトリガーとなる電子を電離させ、さらに、その電離した電子を磁場によって閉じ込め、マイクロ波との共鳴を繰り返すことによりガスの原子をイオン化するという原理を用いている。

【0013】

図１に示すように、ＥＣＲイオン源１０は、真空用素材で形成されたプラズマチャンバー１１を備えている。プラズマチャンバー１１は、全体として略円筒状に形成され、一方端部（図示左側端部）に真空引き用開口部１１ａが設けられ、他方端部（図示右側端部）にはプラズマチャンバー１１の内部で生成されたイオンをプラズマチャンバー１１外に射出するための射出用開口部１１ｂが設けられる。

【0014】

真空引き用開口部１１ａには、プラズマチャンバー１１の内部（プラズマチャンバー１１の内部空間の中央部）にガスを導入するためのガスノズル１２と、マイクロ波電源１３ａに接続されプラズマチャンバー１１内にマイクロ波を伝送するマイクロ波導波管１３（電離エネルギー供給部）が挿入されている。

【0015】

ガスノズル１２は、ＥＣＲイオン源１０にガスを供給するガス供給部１２ａに接続されている。ガス供給部１２ａは、単一または複数種類のガスをＥＣＲイオン源１０に供給する複数のガス供給系を有しており、この実施形態では、酸素（Ｏ_２）ガス供給系、メタン（ＣＨ_４）ガス供給系、およびヘリウム（Ｈｅ）ガス供給系等の複数種類のガス供給系を有している。

【0016】

また、真空引き用開口部１１ａは、真空フランジ１４ａで外側から完全に覆われており、真空フランジ１４ａには真空配管を介して真空ポンプ１４が接続されている。真空ポンプ１４が作動することにより、真空フランジ１４ａの内部およびプラズマチャンバー１１の内部は真空引きされた状態となり、高真空状態に保持される。

【0017】

プラズマチャンバー１１の射出用開口部１１ｂ側（イオンビームの射出方向先端側）にはプラズマチャンバー１１の内部で生成されたイオンを引き寄せて射出用開口部１１ｂから外部に引き出すための引き出し電極部１５が設けられている。

【0018】

引き出し電極部１５は、全体として略円筒状に形成されている。また、引き出し電極部１５は、イオンビームの射出方向（以下、単に「射出方向」といいい、射出方向の先端側を「前方」といい、射出方向の後端側を「後方」という。）に沿って延びる円柱状の引き出し空間を形成している。

【0019】

引き出し電極部１５およびこれにより形成される引き出し空間は、プラズマチャンバー１１の内部から射出用開口部１１ｂを通ってプラズマチャンバー１１の外部に至るように設けられている。すなわち、引き出し電極部１５の後端部はプラズマチャンバー１１の内部に位置し、引き出し電極部１５の前端部はプラズマチャンバー１１の外部に位置する。プラズマチャンバー１１の内部で生成されたイオンは、引き出し電極部１５およびこれにより形成される引き出し空間を通ってプラズマチャンバー１１の外部に導かれる。

【0020】

また、ＥＣＲイオン源１０には、引き出し電極部１５の外側、すなわちイオンビーム１ｂの射出方向の外周を取り囲むようにして磁石（永久磁石）１６が設けられている。本実施形態の磁石１６は、プラズマチャンバー１１の内部に（内周面に沿って）設けられている。また、本実施形態の磁石１６は、射出方向に延びる貫通孔を有しているリング型永久磁石であり、貫通孔に引き出し電極部１５を収容するような構成となっている。さらに、磁石１６の先端（前端）は射出用開口部１１ｂ（プラズマチャンバー１１の前壁）まで延びており、磁石１６の後端は引き出し電極部１５の後端部よりも後方であって、プラズマチャンバー１１の内部の適宜の位置まで延びている。

【0021】

さらに、磁石１６の側面のうち、引き出し電極部１５に対向する面、すなわち磁石１６の貫通孔の内周面には筒状の高電圧壁（高電圧体）１７が設けられている。すなわち、高電圧壁１７は、磁石１６の貫通孔の内周面の内側において、プラズマチャンバー１１から射出されるイオンビーム１ｂの射出方向の外周を取り囲むように筒状に形成されている。高電圧壁１７は、円筒形状、角筒形状、または、棒状あるいは板状部材を均等間隔に円筒状に配置した形状等、筒状であればよく、円筒形状であることが好ましい。

【0022】

また、引き出し電極部１５は、磁石１６および高電圧壁１７の内側に配置されている。すなわち、本実施形態のＥＣＲイオン源１０では、外側から順に、磁石１６、高電圧壁１７および引き出し電極部１５が重なって設けられた三重筒構造となっている。

【0023】

また、磁石１６の後端位置にはアノード１８が設けられている。アノード１８は、磁石１６の後端面に当接する位置に設けられており、引き出し電極部１５の後端部から射出方向に所定の距離を隔てて配置されている。アノード１８は円盤状に形成されており、円面内に貫通孔を有している。アノード１８の貫通孔は、プラズマチャンバー１１の中心軸線と略同軸上に配置されており、アノード１８の貫通孔の内径は、プラズマチャンバー１１から射出されるイオンビーム１ｂの外径よりも大きく設定されている。

【0024】

また、イオン発生装置１には、イオン発生装置１（ＥＣＲイオン源１０）の各コンポーネント（構成要素）を制御するための制御装置３０が接続されている。制御装置３０は、演算部および記憶部等を含み、イオン発生装置１（ＥＣＲイオン源１０）における各種演算および制御動作を実行する。演算部は、ＣＰＵまたはＭＰＵなどを含む演算処理部である。記憶部は、ＲＡＭ（ＤＲＡＭ）およびＲＯＭなどを含み、イオン発生装置１における各種演算および制御動作を実行するための各種プログラムや各種情報についてのデフォルト値等を記憶する。イオン発生装置１（ＥＣＲイオン源１０）における一連の動作は、イオン発生装置１（ＥＣＲイオン源１０）の各コンポーネントが制御装置３０によって制御されることによって実現する。

【0025】

制御装置３０は、記憶部に記憶された適宜のプログラムに従って動作することによって、ガス制御部３１、マイクロ波制御部３２、真空ポンプ制御部３３、引き出し電圧制御部３４、磁石電圧制御部３５として機能する。

【0026】

ガス制御部３１は、ガス供給部１２ａに設けられたガスバルブの動作を制御して、ガスバルブの開閉の切り替えやガスバルブを通過する（プラズマチャンバー１１内に供給される）ガスの流量調整の制御を行う。

【0027】

マイクロ波制御部３２は、ＥＣＲイオン源１０のマイクロ波電源の動作を制御して、マイクロ波導波管１３を通してプラズマチャンバー１１内に入力するマイクロ波パワー（加速電場用入力パワー）を調整する。マイクロ波パワーを適切に制御することにより、プラズマチャンバー１１内に生成されるプラズマ１ａを適切な密度にすることができる。

【0028】

真空ポンプ制御部３３は、真空ポンプ１４のＯＮ／ＯＦＦおよび排気量の設定等の真空ポンプ１４の動作を制御する。真空ポンプ１４の動作を適切に制御することにより、プラズマチャンバー１１の内部が高真空状態に保持される。

【0029】

引き出し電圧制御部３４は、ＥＣＲイオン源１０において、プラズマチャンバー１１内に生成されたプラズマ１ａから、目的のイオンを所定のエネルギーで引き出すために、引き出し電極部１５に所定の電源から印加される電圧（引き出し電圧）の電圧値を設定する。

【0030】

磁石電圧制御部３５は、ＥＣＲイオン源１０において、磁石１６による磁場の回りを円運動する電子の周波数を、マイクロ波導波管１３を通して印加するマイクロ波の周波数の近傍値に選定して、プラズマチャンバー１１内に電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）現象によるプラズマ１ａが生成しやすいように、磁石１６に所定の電源から印加される電圧値（磁石１６に流す電流値：閉じ込め磁場用電磁石電流値）を設定する。

【0031】

このような構成のＥＣＲイオン源１０では、真空ポンプ１４により真空が保持されたプラズマチャンバー１１内にガスノズル１２からガスを導入し、プラズマチャンバー１１内に導入したガスにマイクロ波導波管１３からマイクロ波電源（図示省略）由来のマイクロ波パワーを印加し、プラズマ放電のトリガーとなる電子を電離させ、さらに、その電離した電子をプラズマチャンバー１１の側面部を取り囲む磁石１６の磁場によって閉じ込め、マイクロ波との共鳴を繰り返してプラズマ１ａを発生させることで、ガスの原子をイオン化している。

【0032】

そして、プラズマチャンバー１１内で生成されたイオン（イオン群）は、引き出し電極部１５を通ってプラズマチャンバー１１内から引き出され、所定のエネルギーが付与されることによりイオンビーム１ｂとなって所定の方向（射出方向）に射出される。引き出し電極部１５から射出されたイオンビーム１ｂは、引き出し電極部１５に接続されたドリフトチューブ１９に導入される。ドリフトチューブ１９は、所定の目標（照射対象物等）に向かってイオンビーム１ｂを輸送するものである。したがって、プラズマチャンバー１１内から引き出されたイオンビーム１ｂは、ドリフトチューブ１９および適宜のイオンビーム輸送手段を経由して照射対象物に照射される。

【0033】

なお、イオン発生装置１に用いるイオン源の方式としては、上述のＥＣＲイオン源１０の方式に限るものではなく、これ以外に、ＰＩＧ型イオン源やＥＢＩＳ（電子ビームイオン源）などの方式を用いることもできる。たとえば、ＰＩＧ型イオン源は、円筒状の陽極の両端に陰極が配置され、軸方向に強い磁場を加えた構造で、陰極から出た電子を、半径方向には磁場により、また、軸方向には両端の陰極により閉じ込めて、高密度のプラズマを生成するという原理を用いている。また、ＥＢＩＳ（電子ビームイオン源）は、高エネルギーの電子ビームを繰り返し同じ原子（イオン）に衝突させることによりイオン化を進めるという原理を用いている。
＜従来技術の問題点＞

【0034】

このような構成のイオン発生装置では、イオン源から正の電荷を引き出すために、一般的には、プラズマ生成領域（プラズマチャンバー内の領域）の電圧Ｖ１は引き出し電極の電圧Ｖ２よりも高い電圧となっている（Ｖ１＞Ｖ２）。引き出されたイオン群は、プラズマ生成領域の電圧Ｖ１と引き出し電極の電圧Ｖ２との電位差により加速され、イオンビームとなり引き出し電極の内部を通過して射出される。

【0035】

図２は従来技術において実験を行った際のイオンビーム引き出し時のヘリウムイオンのイオン分布を説明する説明図である。図２には、３次元ｐａｒｔｉｃｌｅ－ｉｎ－ｃｅｌｌ（ＰＩＣ）法によって計算した、長さ１２０ｍｍの引き出し電極内を通過する１０ｋｅＶ／ｕ，１０ｍＡ（ｓ＝０）の^４Ｈｅ^２＋イオンの粒子分布を示す。この実験例における引き出し電極入り口（ｓ＝０）でのビームの初期条件は、プラズマ生成領域―引き出し電極入り口（ｓ＝０）までのＰＩＣ法による計算によって、次の通りに求めた： 規格化ＲＭＳエミッタンスεｘ，εｚ＝０．４５πｍｍ ｍｒａｄ；Ｔｗｉｓｓパラメータαｘ，αｚ＝０．４５，βｘ，βｚ＝０．０２６ｍ。

【0036】

図２に示すように、イオンビームが引き出し電極の内部を通過する際に、イオンビームの光学条件や空間電荷効果等によってイオンビームの幅（外径）が増大することがある。イオンビームの外径が増大（拡径）することによって、引き出し電極内壁に衝突してイオンビームの損失が生じるという問題がある。この問題に対し、イオンビームの拡径を抑制するために、引き出し電極区間にソレノイド電磁石を設けることも考えられる。しかしながら、ソレノイド電磁石を設けるためにコストの増大や装置の複雑化および大型化を招き、さらに永久磁石を使用したＥＣＲイオン源ではソレノイド電磁石の磁場が永久磁石に干渉するため、ソレノイド電磁石を設ける方法を採用することは困難であった。このような課題に対し、本発明者らは、以下説明する引き出し電極部の新規な構成を案出し、課題の解決を図った。
＜本発明の引き出し電極部の構成＞

【0037】

図３は本発明の引き出し電極部１５の周辺の構成を説明する説明図である。図３に示すように、引き出し電極部１５は、プラズマチャンバー１１から射出されるイオンビーム１ｂが内部を通過する筒状の第１電極１５ａと、第１電極１５ａに対しイオンビーム１ｂの射出方向に離間して配置され、第１電極１５ａを通過したイオンビーム１ｂが内部を通過する筒状の第２電極１５ｂとを有している。

【0038】

すなわち、本発明の引き出し電極部１５は、イオンビーム１ｂの射出方向に離間して配置された複数の部材（第１電極１５ａ、第２電極１５ｂ）に分割した構成（分割構成）となっている。本実施形態では、第１電極１５ａが後方に、第２電極１５ｂが前方に配置されている。

【0039】

ただし、第１電極１５ａは、前端側（前端部）においては断面一定の円筒形状であり、後端側（後端部）においては後端に向かうにつれて縮径する円錐台状である。また、第１電極１５ａの後端の内径（最小内径）は、アノード１８の内径と同程度（アノード１８の内径に対し±５％の範囲内）である。一方、第２電極１５ｂは、先端（前端）から後端に至るまで断面一定の円筒形状である。なお、第１電極１５ａの前端側（前端部）および第２電極１５ｂは、それぞれ、円筒形状、角筒形状、または、棒状あるいは板状部材を均等間隔に円筒状に配置した形状等、適宜の筒状であればよく、いずれも同一形状で同一の内径サイズとすることが好ましく、いずれも同一半径の円筒形状であることが好適である。また、第１電極１５ａの後端側（後端部）は、第１電極１５ａの前端側（前端部）の端部から屈曲あるいは湾曲して後端に向かうにつれて縮径する形状であればよく、円錐台形状、角錐台形状、または、棒状あるいは板状部材が錐台状に均等配置された形状など、適宜の錐台形状とすることができ、円錐台形状とすることが好ましい。

【0040】

また、第１電極１５ａと第２電極１５ｂとは、略同軸上（同じ軸線ＣＬを中心）に設けられている。さらに、第１電極１５ａおよび第２電極１５ｂは、第１電極１５ａおよび第２電極１５ｂの軸線ＣＬがプラズマチャンバー１１の中心軸線と略同軸上になるように配置されている。

【0041】

ここで、第１電極１５ａと第２電極１５ｂとのイオンビーム１ｂの射出方向（軸線ＣＬの軸線方向）における離間距離Ｄ１（第１電極１５ａの先端から第２電極１５ｂの後端までの距離、すなわち第１電極１５ａおよび第２電極１５ｂの最短距離）の下限は、第１電極１５ａの内径Ｄ２または第２電極１５ｂの内径Ｄ３以上の距離とすることが好ましい。また、第１電極１５ａと第２電極１５ｂとの離間距離Ｄ１の上限は、高電圧部であるＥＣＲイオン源本体１０（プラズマチャンバー１１）内に第２電極１５ｂの後端が収まる距離の範囲内とすることができる。

【0042】

また、離間距離Ｄ１の下限は、第１電極１５ａの内径Ｄ２および第２電極１５ｂの内径Ｄ３の長さ以上（第１電極１５ａの内径Ｄ２および第２電極１５ｂの内径Ｄ３の距離に対して１００％以上）の距離とすることが好ましい。また、離間距離Ｄ１の上限は、第１電極１５ａまたは第２電極１５ｂの軸線方向の長さ以下（第１電極１５ａおよび第２電極１５ｂの軸線方向の長さに対して１００％以下）の距離とすることが好ましい。さらに、離間距離Ｄ１の下限は、ＥＣＲイオン源本体１０（プラズマチャンバー１１）の電圧の５０％以上を第１電極１５ａ後端と第２電極１５ｂ先端間のＣＬ軸線上に発生できる距離であることが好ましい。

【0043】

また、本実施形態では、第１電極１５ａの内径Ｄ２（最大内径となる前端側の内径）は、第２電極１５ｂの内径Ｄ３と略同じである。ただし、第１電極１５ａの内径Ｄ２と第２電極１５ｂの内径Ｄ３とは、±１０％の範囲内であれば、異なる寸法であってもよい。

【0044】

さらに、本発明のイオン発生装置１（ＥＣＲイオン源１０）は、第１電極１５ａと第２電極１５ｂとを電気的に接続する導電体２１と、第１電極１５ａと第２電極１５ｂとを機械的に接続する誘電体２２を備えている。

【0045】

導電体２１は、たとえば断面円形の金属製のワイヤー（線材）で形成されており、一端が第１電極１５ａの先端部の外表面に接続されており、他端が第２電極１５ｂの後端部の外表面に接続されている。これにより、第１電極１５ａと第２電極１５ｂとを電気的に接続し、同電位とすることができる。

【0046】

本実施形態では導電体２１は、複数（２つ）設けられており、複数の導電体２１のそれぞれは、軸線ＣＬを中心に対称位置（軸対称）になるように配置されている。

【0047】

導電体２１の外径（軸線ＣＬから見た場合の幅寸法）は、引き出し電極部１５が収容される空間（電極収容空間）２０の内径Ｄ４、すなわち高電圧壁１７の内径Ｄ４の０．５％～２．０％の範囲内に収まる大きさである。たとえば、本実施形態では、高電圧壁１７の内径Ｄ４は５０ｍｍであり、導電体２１の外径は０．５ｍｍ（内径Ｄ４の１％）である。

【0048】

また、導電体２１は、高電圧壁１７に対し所定の距離を隔てて離間するように配置されている。導電体２１と高電圧壁１７との最短距離は、０．５ｍｍ以上とすることができ、１ｍｍ以上とすることが好ましく、２ｍｍ以上とすることがより好ましい。

【0049】

誘電体２２は、導電体２１を外側から覆うように設けられ、第１電極１５ａの先端部の外表面と、第２電極１５ｂの後端部の外表面とを接続している。すなわち、誘電体２２は、高電圧壁１７と、導電体２１および引き出し電極部１５の間に介在するように設けられている。これにより、引き出し電極部１５の放電（絶縁破壊）を防止することができる。この誘電体２２は、たとえばアルミナや炭化ケイ素等により構成されるセラミック材料で形成されている。誘電体２２を構成する材料としては、貫通耐電圧～２０ｋＶ／ｍｍ、沿面耐電圧～１０ｋＶ／ｍｍのセラミック材料であればよい。この誘電体２２も導電体２１と同じ数（複数）設けられており、複数の誘電体２２は、軸線ＣＬを中心に軸対象になるように配置されている。
＜引き出し電極部の電位分布＞

【0050】

図４（Ａ）は本発明の引き出し電極部１５の周辺の電位分布を説明する説明図であり、図４（Ｂ）は本発明の引き出し電極部１５の周辺の電位分布を測定した測定画像である。なお、説明の便宜上、図４（Ａ）および図４（Ｂ）では誘電体２２の図示は省略している。図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示すように、本発明の引き出し電極部１５ではイオンビーム１ｂの射出方向に離間して配置された第１電極１５ａと第２電極１５ｂとの分割構成とすることにより、第１電極１５ａおよび第２電極１５ｂの間にＥＣＲイオン源１０本体、または磁石１６から生じる電位を引き込むことができ、第１電極１５ａおよび第２電極１５ｂの間の電位を上昇させることができる。

【0051】

すなわち、本発明の引き出し電極部１５では、第１電極１５ａおよび第２電極１５ｂの間にイオンビーム１ｂの収束効果を有する電場（収束電場）を有する収束領域２３が形成されている。

【0052】

具体的には、第１電極１５ａおよび第２電極１５ｂは接地されており、第１電極１５ａ（第１電極１５ａの内部空間を含む）および第２電極１５ｂ（第２電極１５ｂの内部空間を含む）の電位は略０ｋｖである。これに対し、収束領域２３（第１電極１５ａおよび第２電極１５ｂの間）の電位は、８ｋｖ～１７ｋｖとなっている。なお、収束領域２３の電位は、最大で２０ｋｖ程度であってもよい。また、収束領域２３の電位分布は、軸線ＣＬを中心に軸対称（円周方向において均一な電位分布）になるように形成されている。

【0053】

したがって、本発明の引き出し電極部１５では、イオンビーム１ｂは、低電位である第１電極１５ａを通過した後、収束電場を有する収束領域２３を通過し、その後、低電位である第２電極１５ｂを通過することになる。なお、第１電極１５ａと第２電極１５ｂの電位は等しくすることが好ましい。

【0054】

図５は本発明におけるイオンビーム引き出し時のヘリウムイオンのイオン分布を説明する説明図である。図５には、３次元ＰＩＣ法によって（図２の実験例と同じ条件で）計算した、長さ１２０ｍｍの引き出し電極内を通過する１０ｋｅＶ／ｕ，１０ｍＡ（ｓ＝０）の^４Ｈｅ^２＋イオンの粒子分布を示す。引き出し電極入り口（ｓ＝０）でのビームの初期条件は、プラズマ生成領域―引き出し電極入り口（ｓ＝０）までのＰＩＣ法による計算によって、次の通りに求めた： 規格化ＲＭＳエミッタンスεｘ，εｚ＝０．４５πｍｍ ｍｒａｄ；Ｔｗｉｓｓパラメータαｘ，αｚ＝０．４５，βｘ，βｚ＝０．０２６ｍ。

【0055】

図５に示すように、イオンビーム１ｂは、第１電極１５ａを通過した後、収束領域２３によって収束され、第２電極１５ｂを通過している。具体的には、イオンビーム１ｂは、第１電極１５ａを通過してから収束領域２３の中央部に至るまでの間は、外径が増大（拡径）する傾向にあるが、収束領域２３の中央部を通過した後は、外径が縮小（縮径）する傾向にある。

【0056】

ここで、本発明の構成では、イオンビーム１ｂは、第１電極１５ａの内壁および第２電極１５ｂの内壁のいずれにも衝突していない。イオンビーム１ｂは、収束領域２３の中央部において最大径となるが、収束領域２３では第１電極１５ａおよび第２電極１５ｂのいずれも存在していないため、第１電極１５ａの内壁および第２電極１５ｂの内壁のいずれにも衝突していない。すなわち、本発明の構成では、第１電極１５ａの内壁および第２電極１５ｂの内壁に衝突することによるイオンビーム１ｂの損失が生じていない。

【0057】

図６は引き出し電極の下流側端部に到達する電流値を示す説明図である。なお、図６に示す従来技術の電流値は、図２に示す比較例における電流値のことであり、図６に示す本発明の電流値とは、図５に示す実施例における電流値のことである。図６に示すように、本発明（図５に示す実施例）では、引き出し電極部１５の末端（第２電極１５ｂの後端）では１０ｍＡ程度の電流値（引き出し電極入り口が１０ｍＡであるので略１００％）が検出されているのに対し、従来技術（図２に示す比較例）では、引き出し電極の末端では８ｍＡ程度の電流値まで低減している。このことは、本発明ではイオンビームの損失がほとんど生じていないのに対し、従来技術では、空間電荷効果によりイオンビーム幅の増大が生じ、引き出し電極の内壁に衝突することによってイオンビームが２０％程度損失していることが原因と考えられる。

【0058】

以上のように、本発明によれば、第１電極１５ａおよび第２電極１５ｂを分割構成とし、第１電極１５ａおよび第２電極１５ｂの間の収束電場を有する収束領域２３の作用効果により、イオンビーム１ｂの損失を低減することができる。すなわち、本発明によれば、簡単な構成で効率よくイオンを取り出すことができる。

【0059】

また、本発明では、真空中に導入したガスからイオンビーム１ｂを生成するプラズマチャンバー１１と、プラズマチャンバー１１から射出されるイオンビーム１ｂの射出方向の外周を取り囲むように筒状に形成された高電圧壁１７と、高電圧壁１７の内側に配置され、プラズマチャンバー１１から射出されるイオンビーム１ｂが内部を通過する筒状の第１電極１５ａと、高電圧壁１７の内側であって、第１電極１５ａに対しイオンビーム１ｂの射出方向に離間して配置され、第１電極１５ａを通過したイオンビーム１ｂが内部を通過する第２電極１５ｂを備えたイオン発生装置１において、第２電極１５ｂを通過したらイオンビーム１ｂを取り出すことができる。すなわち、本発明によれば、効率よくイオンを取り出すことが可能になるイオン取り出し方法を提供することができる。

【0060】

さらに、本発明によれば、引き出し電極部１５にソレノイド等の収束光学系を備えずとも、イオンビーム１ｂを収束させることができる。これによりイオンビーム１ｂの損失が低減されれば、より大きいイオンビーム電流を得られ、イオン発生装置１（ＥＣＲイオン源１０）の性能向上に繋がる。また、ソレノイド等の収束光学系を設置する必要が無いため、イオン発生装置１（ＥＣＲイオン源１０）の長大化、製造コスト増を回避することができる。また、永久磁石を用いたＥＣＲイオン源１０では、ソレノイドレンズ等の設置はソレノイド電磁石が永久磁石に干渉する等の理由から難しいため、本発明は特に有効である。

【0061】

さらにまた、本発明は、引き出し電極部１５の軸方向の長さ（引き出し電極長）が長くなる場合、および空間電荷効果によるビーム幅増大を伴うイオン取り出しを行う場合において、イオンビーム１ｂの損失を抑制ないし防止できるため、特に効果的である。引き出し電極長が長くなる場合としては、たとえば、ＥＣＲイオン源１０で軸方向磁場生成のためにリング型永久磁石を用いた際に、引き出し電極部１５を囲む高電圧壁１７の軸方向の長さが構造上伸び、それによって引き出し電極も伸びてしまう場合等が挙げられる。空間電荷効果によるビーム幅増大を伴うイオン取り出しを行う場合としては、電荷質量比ｑ／ｍ（ｑ：電荷数，ｍ：質量数）の大きいイオンを大電流（Ｉ＞１ｍＡ）で輸送した場合等が挙げられる。

【0062】

この発明のイオン発生装置は上記実施形態のイオン発生装置１に対応し、以下同様に、チャンバーはプラズマチャンバー１１に対応し、高電圧体は高電圧壁１７に対応し、第１電極は第１電極１５ａに対応し、第２電極は第２電極１５ｂに対応し、導電体は導電体２１に対応し、誘電体は誘電体２２に対応するが、この発明は本実施形態に限られず他の様々な実施形態とすることができる。また、上述の実施形態で挙げた具体的な構成等は一例であり、実際の製品に応じて適宜変更することが可能である。

【0063】

上述の実施例では、第１電極１５ａと第２電極１５ｂを一体構造とするためにセラミック等の誘電体２２を用いて連結しているが、誘電体２２を省略して、第１電極１５ａと第２電極１５ｂを互いに独立した別体とすることもできる。

【0064】

また、上述の実施例では、第１電極１５ａの電位を定めるために、導電体２１を設けて第１電極１５ａと第２電極１５ｂを接続しているが、導電体２１を省略して、第１電極１５ａの電位は別途他の方法で定めても構わない。たとえば、第１電極１５ａと第２電極１５ｂをそれぞれ個別に接地してもよい。また、第２電極１５ｂについては、ドリフトチューブ１９を接地し、接地したドリフトチューブ１９に接続することによって電位を定める（低電位とする）ようにしてもよい。

【0065】

このような本発明のイオン発生装置１は粒子線発生装置または粒子線照射装置に適用することもできる。たとえば、イオン発生装置１は、加速器として前段加速器と主加速器を用いるシンクロトロンに適用することもできるし、円形加速器のみを用いるサイクロトロンに適用することもできる。これらの場合であっても、簡単な構成で効率よくイオンビームを取り出すことによって、簡単な構成で効率よく粒子線を発生ないし照射することができる。

【0066】

また、本発明のイオン発生装置１は、基板等の電子部品の表面をイオンビームによって洗浄（異物の除去）やエッチングを行う表面処理装置に適用することもできる。この場合であっても、簡単な構成で効率よくイオンビームを取り出すことによって、簡単な構成で効率よく表面処理することができる。

【産業上の利用可能性】

【0067】

この発明は、イオンビームを照射する産業に利用することができる。

【符号の説明】

【0068】

１…イオン発生装置
１０…ＥＣＲイオン源
１１…プラズマチャンバー
１２…ガスノズル
１３…マイクロ波導波管
１４…真空ポンプ
１５…引き出し電極部
１５ａ…第１電極
１５ｂ…第２電極
１６…磁石
１７…高電圧壁
１８…アノード
１９…ドリフトチューブ
３０…制御装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】