JPH0227699A - 高周波四重極加速器における加速エネルギ制御方法 - Google Patents

高周波四重極加速器における加速エネルギ制御方法

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JPH0227699A
JPH0227699A JP17654088A JP17654088A JPH0227699A JP H0227699 A JPH0227699 A JP H0227699A JP 17654088 A JP17654088 A JP 17654088A JP 17654088 A JP17654088 A JP 17654088A JP H0227699 A JPH0227699 A JP H0227699A
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    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は高周波四重極加速器における加速エネルギの制
御方法に関し、特に、例えば半導体へのイオン注入等に
応用するのに適した制御方法に関する。
〈従来の技術〉 高周波四重掻加速器(Radio Frequency
 Quadrupole加速器、以下、RFQ加速器と
称する)は、大電流のイオンビームを高透過率のもとに
高エネルギに加速し得る能力を持ち、近年、多(の分野
での応用が研究されている。
第9図はRFQ加速器の概念構造を示す部分断面斜視図
である。
両端がプレート91a、91bで閉止された円筒タンク
90内に4個の電極92a〜92dが(以下、ベーン9
2a〜92dと称する)が固着されており、これらで四
重極空胴共振器を形成している。
ベーン92a〜92dには、それぞれその先端部にタン
ク90の軸方向に沿う波形が形成されており、互いに対
向するベーンはその波形の山と山。
谷と谷とが向き合い、かつ、ベーン92a、92cとベ
ーン92b、92dの波形は180°の位相差を持って
いる。また、各波形の周期は入口から出口に向かって次
第に長くなっている。
このような構造体に高周波を導入すると、相対向するベ
ーンは同相に、隣り合うベーンは逆相に電圧が印加され
て共振することになるが、上述した波形の存在によって
ベーン92a〜92dで囲まれた空間にタンク90の軸
心に沿う加速電界が生成され、ここに入射した荷電粒子
ビームは収束されつつ所定の加速エネルギのもとに加速
される。
〈発明が解決しようとする課題〉 ところで、RFQ加速器は高周波共振器を利用して荷電
粒子を加速する、いわゆる高周波加速器であるから、共
振周波数を可変としない限り加速エネルギを可変とする
ことはできないとされている(Nuclear Ins
truments and Method in Rh
ysicsResearch B21(1987)P−
P218−223. H,F、 Glavish。
Radio−Frequency Linear Ac
celerators for Jonlaplant
ers”)。
すなわち、高周波加速器では、粒子の入射スピード(エ
ネルギ)、電極の配設位置(ドリフトチエ−ブライナッ
ク等では配設ピッチ、RFQ加速器ではベーン波形の周
期)および印加する高周波電圧値は互いに密接な関係を
持つファクタであり、例えば高周波電圧値を変化させて
も、他のファクタが一定である限り加速エネルギは変化
せずに一定であり、むしろ、高周波電圧値を大幅に低下
させると荷電粒子をまったく加速できなくなるとされて
いる。その理由として、高周波電圧を低下させると、加
速電界中において荷電粒子のスピードが遅くなり、電極
波形の周期等との関連において共振条件を満足しなくな
るためであると一般には説明されている。
一方、半導体製造プロセスにおけるイオン注入装置等を
はじめとする多くの応用分野では、加速ネルギの可変性
は必須の要求性能である。そこで、この加速エネルギ可
変性を得るべく、RFQ加速器に複雑な外部共振器等を
付加し、共振周波数を可変にする対策が提案されている
。(例えば、特開昭60−115199号)。
しかし、共振周波数を可変にすることで加速エネルギ可
変性を得る方式では、RFQ加速器に複雑な機構や装置
を追加する必要があるばかりでなく、高周波電力を供給
するための高周波電源についても周波数を可変にする必
要がある等、高価格化およびメインテナンス等の点で多
くの問題がある。
本発明の目的は、RFQ加速器の共振周波数を変化させ
ることなく、容易にその加速エネルギを変化させること
のできる制御方法を提供することにある。
〈課題を解決するための手段〉 本発明のRFQ加速器における加速エネルギの制御方法
の特徴とするところは、電極に印加すべき高周波電圧を
、荷電粒子のRFQ加速器への導入スピードとこの高周
波電圧の周波数、および電極に形成された波形の周期に
基づく共振条件を満足する電圧値よりも、下方に所定量
シフトすることによって荷電粒子の加速エネルギを変化
させることにある。
なお、本明細書でいう高周波電圧とは、印加する高周波
の電圧振幅値をいう。
く作用〉 同一の荷電粒子を同一の入射条件のもとにRFQ加速器
に導入し、共振周波数を変化させずに高周波電圧(ベー
ン電圧)のみを変化させた実験結果の例を第3図〜第6
図に示す。RFQ加速器の共振条件を満足するベーン電
圧を与えた場合(第3図)に比し、ベーン電圧を下方に
シフトすることで加速エネルギを下方に変化させること
ができた(第4図〜第6図)。
ベーン電圧を下方にシフトすることで、実際に粒子がど
のような作用を受けてエネルギが変化するのかは現時点
において正確には明らかではない。
しかし、RFQ加速器以外の高周波加速器、例えばドリ
フトチューブライナ・ンク等との比較において下記の推
測が成り立つ。
すなわち、ドリフトチューブライナックでは、加速高周
波電圧を設計値以下にした場合、ビームは共振条件を満
足できず、殆んど発散等によって失われてしまうことは
事実である。ここで、ドリフトチューブライナックとR
FQ加速器との機能上の大きな差異は、そのビーム収束
力にある。前者ではビーム収束力はドリフトチューブ内
に設置された静電もしくは磁気Qレンズ等によって得ら
れ、ドリフトチューブ外では収束力は働かない。
これに対し後者では、ベーンに誘起された高周波電圧が
粒子の収束と加速を同時に行うので、粒子ビームは空間
的に連続して常に強い収束力を受ける。
従って、RFQ加速では、共振条件を満足できないビー
ムも、その強い収束力のために発散することなく最後ま
で加速されてしまう。しかし、共振条件を満足していな
いが故に、最終的な加速エネルギは設計値よりも低エネ
ルギ側にシフトし、前記した結果が得られるものと推定
される。
〈実施例〉 本発明の実施例を、以下、図面を参照しつつ説明する。
第1図は本発明を適用して粒子の加速エネルギを実測し
た実験装置のレイアウトを示すプロ・7り図であり、破
線で囲まれた部分がRFQ加速装置である。
イオン源1で発生したイオンは、直流高圧電源2によっ
て所定の所期エネルギまで加速される。
これによって生ずるイオンビームBは、静電Qレンズ3
2分析マグネット4.更に静電Qレンズ5を通過して目
的イオンのみのビー1、となってRFQ加速器6内に導
かれる。
RFQ加速器6には、そのベーンに高周波電圧を印加す
るための高周波電源7と、実際に加速器6に印加された
電圧を検出する電圧検出器8.およびその検出信号と電
圧設定器10からの設定信号を入力して高周波電源7の
出力電圧を制御する制御回路9が付設されている。
高周波電源7は、例えば水晶発振器と電力増幅器によっ
て構成され、制御回路9は、例えば電圧検出器8からの
検出信号を電圧設定器10からの設定信号にフィードバ
ックして、その差信号に基づいて上述の電力増幅器の増
幅度を変化させる回路構成を有している。これにより、
RFQ加速器6のベーンに印加される高周波電圧は、電
圧設定器10によって設定された電圧値に制御される。
さて、RFQ加速器6より加速されて出射したイオンの
エネルギスペクトルを測定すべく、RFQ加速器6の出
口にラザフォード・バックスキャツタリング・スペクト
ロスコピ(Rutherford Backsc−at
tering 5pectroscopy、以下、RB
Sと称する)を配設した。RBSはターゲット11とエ
ネルギ検出器12とからなり、RFQ加速器6から出射
したイオンはターゲット11によって散乱されてエネル
ギ検出器12に入り、そこで加速エネルギに応じた電荷
量を発生する。この電荷量を個々の粒子について求める
ことでエネルギスペクトルを測定することができる。な
お、ターゲット11はカーボンに金を100〜200人
蒸着したものを使用し、エネルギ検出器12は表面障壁
型粒子エネルギ検出器を用いた。
以上のセットアンプにより、RFQ加速器6のベーンに
印加する高周波電圧を変化させ、RFQ加速H6から出
射した粒子のエネルギスペクトルを測定した結果を第3
図〜第8図に示す。なお、これらの図において横軸はエ
ネルギ、縦軸は粒子の検出カウント数である。
第3図〜第6図は、14N゛粒子についての実験結果で
ある。すなわち、この実験においては、イオン源1にお
いてN2ガスから14N+を発生し、これをRFQ加速
器6の入射条件である84keVに加速して加速器6内
に導入した。RFQ加速器6の共振周波数は70.30
0MHzで一定とした。
この条件におけるRFQ加速器6の設計電圧値、つまり
イオンの入射スピードと高周波の周波数およびRFQ加
速器6のベーン波形によって定まる共振条件を満足する
高周波電圧は、約54.8 k Vである。
第3図はRFQ加速器6の設計電圧値そのまま(100
%)を印加した場合の測定結果で、設計通りのエネルギ
値に単独のピークが生じた。なお、ピーク以外のエネル
ギ値においてカウント数が存在するのは、主としてター
ゲット11での散乱時において生ずる多重散乱されたエ
ネルギの低い粒子および測定ノイズ等である。
第4図、第5図および第6図は、それぞれ高周波電圧を
設計電圧値の87%、84%および78%としたときの
測定結果である。これらの図より明らかなように、高周
波電圧の下方へのシフトにより、またそのシフト量に応
じて、第3図のピークよりも低いエネルギ領域において
1個または複数個のピークが生じた。このことは、明ら
かにイオンのエネルギがベーンに印加する電圧により変
化することを示している。
第7図および第8図は11134粒子についての実験結
果である。この実験では、イオン源1においてBF2ガ
スか、ら1113−を発生して、66keVに加速して
RFQ加速器6に導いた。RFQ加速器6の共振周波数
は70.340MH2である。この条件でのRFQ加速
器6の設計電圧は約43kVである。
第7図はその設計電圧100%を、また第8図はその8
8%の電圧を印加したときの測定結果を示している。
この実験においても、100%の電圧印加によって設計
通りのエネルギ値に単独のピークを示したのに対し、電
圧を下方にシフトすることによってそのピークよりも低
いエネルギにおいて別のピークを示し、高周波電圧の下
方へのシフトによって粒子加速エネルギを変化させ得る
ことが実証された。
第2図は本発明を応用した装置の要部構成を示すブロッ
ク図で、第1図と同一のものには同一の番号を付して示
している。前記した実験例より明らかなように、RFQ
加速器6のベーンに印加する高周波電圧を下方にシフト
すると、複数のエネルギピークが生ずる場合がある。そ
こで、この応用例では、RFQ加速器6の出口に分析マ
グネット20を配設し、所望のエネルギを持つイオンの
みを選択して目的方向に導くよう構成している。
この構成は、例えば半導体へのイオン注入に本発明を利
用する場合等に極めて有効である。
〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明によれば、ベーンに印加す
る高周波電圧をシフトするだけで荷電粒子の加速エネル
ギを変化させることができ、従来の共振周波数を変化さ
せる方式に比して極めて容易にエネルギの可変性を実現
できる。このことは、例えば半導体へのイオン注入等の
高エネルギ大電流でしかもエネルギ可変性が要求される
イオンビーム応用分野へのRFQ加速器の適用の可能性
を大きく拡げ、この応用分野に革新的な進歩をもたらす
ものと期待される。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明を適用して粒子の加速エネルギを実測し
た実験装置のレイアウトを示すブロック図、 第2図は本発明を応用した装置の要部構成を示すブロッ
ク図、 第3図乃至第8図は第1図に示した装置による実験結果
を示すグラフ、 第9図はRFQ加速器の概念構造を示す部分断面斜視図
である。 1・・・・ 2・・・・ 3.5・・ 4・・・・ 6・・・・ 7・・・・ 8・・・・ 9・・・・ 10・・・

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 円筒タンク内にそのタンクの軸方向に沿う波形が先端部
    に形成された4個の電極が配設されてなる空胴共振器に
    所定周波数の高周波電圧を印加して共振させた状態で、
    上記電極の先端で囲まれた空間内に所定スピードのもと
    に荷電粒子を導くことによって、その荷電粒子を加速す
    る装置において、上記印加すべき高周波電圧を、荷電粒
    子の導入スピードとこの高周波電圧の周波数および上記
    各電極の波形の周期に基づく共振条件を満足する電圧値
    よりも、下方に所定量シフトすることによって荷電粒子
    の加速エネルギを変化させることを特徴とする高周波四
    重極加速器における加速エネルギの制御方法。
JP63176540A 1988-07-15 1988-07-15 高周波四重極加速器における加速エネルギ制御方法 Expired - Lifetime JPH0697640B2 (ja)

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