JPH0770359B2

JPH0770359B2 - 外部共振型四重極粒子加速器

Info

Publication number: JPH0770359B2
Application number: JP22312991A
Authority: JP
Inventors: 健介雨宮; 好美袴田; 克己登木口; 訓之作道
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-09-03
Filing date: 1991-09-03
Publication date: 1995-07-31
Anticipated expiration: 2010-07-31
Also published as: JPH0562798A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＲＦＱ（Radio Freque
ncy Quadrupole）イオン加速器に係り、特に、広範囲に
渡って周波数を変化させることができる外部共振型四重
極粒子加速器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、加速管の外部に高周波共振回路を
設けて回路の共振周波数を可変にした四重極粒子加速器
としては、特開昭６０−１１５１９９号公報に示される
ようなものがある。これは、イオンの加速エネルギ−を
自由に選べるという特徴を持つ。その構成を、図２によ
り説明する。

【０００３】四重極粒子加速器は、四重極電極と高周波
共振回路とを有して構成される。四重極電極は、電極１
ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄで構成され、各電極１ａ、１ｂ、
１ｃ、１ｄは、軸方向に沿って波打たせた面を持つ棒状
の部材からなる。四重極電極は、電極１ａ、１ｂ、１
ｃ、１ｄを、それらの波打っている面を互いに向かい合
わせて配置した構造になっている。高周波共振回路は、
インダクタンスＬ₁のコイル２と、容量Ｃ₁のコンデンサ
３とを備えて構成される。周波数可変型高周波電源５か
らの電力は、マッチングボックス６に直接結合させたカ
ップリングコイル４を通して共振回路のコイル２へ供給
される。

【０００４】従来の高周波共振回路の配置は、図２に示
すように、コイル２、コンデンサ３、リ−ド線７、四重
極電極の順に配置されている。この時の等価回路は、図
４のように書けるので（並列共振）、回路の共振周波数
ｆは、次の式で表わされると考えられている。

【０００５】

【数１】

【０００６】ただし、Ｃ₂は四重極電極の持つ浮遊容量
である。共振周波数の調整は、コイル２のインダクタン
スＬ₁、またはコンデンサ３の容量Ｃ₁を変化させて行
う。

【０００７】回路の共振周波数を変化させるために容量
可変コンデンサを用いる場合、数１において、容量Ｃ₁
を変化させることになる。しかし、Ｃ₁の他に、浮遊容
量Ｃ₂が存在するために、周波数可変範囲は、容量Ｃ₁を
大きく変化させても、実用上かなり小さい範囲となって
しまう。例えば、Ｃ₂がＣ₁の最小値の２倍程度（Ｃ₂＝
２Ｃ₁）である場合に、容量Ｃ₁を１０倍変化させたとし
ても、共振周波数ｆは２倍程度しか操作できない。従っ
て、通常、インダクタンスＬ₁を離散的に変化させて共
振周波数の可変範囲を広げていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】発明者等は、実際に、
インダクタンスＬ₁として１巻きのコイルを使用し、そ
の長さを３倍変化させた実験を行ってみた。Ｌ₁の値は
コイルの長さに比例して変わるから、長さ３倍の変化に
対し、共振周波数ｆは、数１から、１.７倍変化するは
ずである。しかし、結果は、高々１.１倍にしか変化し
なかった。これは、リ−ド線７が、高周波的には無視で
きない位のインダクタンス値を持っているために、実際
には、回路の共振周波数ｆが数１に示すような理想的な
形にはならないからである。従って、従来のような回路
配置では、Ｌ₁を離散的に変化させても、その効果はほ
とんど現われず、結果的に、共振周波数の可変範囲が狭
くなるという問題点があった。

【０００９】以上の問題点を、具体的な数式、数値を用
いて説明する。等価回路は、図３に示すようになるので
（並列共振）、リ−ド線のインダクタンス（Ｌ₂）を考
慮して、回路の共振周波数ｆを求めてみると、近似的に
次の式で表わされることになる。

【００１０】

【数２】

【００１１】通常、Ｌ₂の大きさは、Ｌ₁と同程度、また
は、それ以上であるため、Ｌ₁を変えてもｆの変化分に
はあまり寄与しないことがわかる。例えば、実用的な範
囲として、コンデンサ３の容量Ｃ₁を１００ｐＦから１
０００ｐＦまで変化させることができ、Ｃ₂が５００ｐ
Ｆ、Ｌ₂が０.３μＨである場合を考える。離散的に変化
させるコイル２のＬ₁として０.０３μＨと０.１μＨの
ものを使用すると、共振周波数は、それぞれ７.２ＭＨ
ｚから１１.３ＭＨｚまでと、６.５ＭＨｚから１０.３
ＭＨｚまでの範囲となり、全体的にカバ−できる可変範
囲としては、６.５ＭＨｚから１１.３ＭＨｚまでの周波
数範囲になる。すなわち、容量Ｃ₁が１０倍、インダク
タンスＬ₁が３倍強変化したにもかかわらず、共振周波
数ｆは、１.７倍程度しか変化させることができないこ
とになる。

【００１２】エネルギ−可変型の四重極粒子加速器の性
能としては、応用面を考えると、出射ビ−ムエネルギ−
を数百ｋｅＶから数ＭｅＶ、すなわち、１０倍位の広範
囲に変化させる必要がある。一方、出射ビ−ムエネルギ
−は、動作周波数の２乗で変化するので、１０倍位の広
範囲にエネルギ−を変化させるためには、最低でも３.
２倍程度の可変周波数範囲が必要となる。

【００１３】このため、数百ｋｅＶから数ＭｅＶまでの
広範囲のエネルギ−領域で任意のイオンを加速できるイ
オン加速器を実現するには、上記に示すようなリード線
のインダクタンスＬ₂による悪影響（Ｌ₁の変化分が直接
ｆの変化分に寄与しなくなること）を排除することが要
請される。

【００１４】本発明の目的は、共振周波数を広い範囲で
変化させることができ、広範囲のエネルギ−領域で任意
のイオンを加速できる外部共振型四重極粒子加速器を提
供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の一態様によれば、高周波共振回路を加速管
の外部に設けた四重極粒子加速器において、該高周波共
振回路をコンデンサおよびインダクタンス部材で構成
し、該インダクタンス部材を該コンデンサと上記加速管
との間に直列に配置した、外部共振型四重極粒子加速器
が提供される。

【００１６】インダクタンス部材としては、コイルを構
成する導体を用いることができる。例えば、コンデンサ
と四重極電極とを電気的に接続するリード導体の部分の
少なくとも一部に、インダクタンス部材として、コイル
を構成する導体が配置される。また、本発明の好ましい
態様の一つとして、リード導体の少なくとも一部を、イ
ンダクタンス部材、すなわち、コイルを構成する導体と
して積極的に使用することができる。

【００１７】本発明では、高周波共振回路は、コンデン
サ、コイル（インダクタンス部材）、四重極電極の順
に、かつ、これらが直列に接続されるように配置した構
成となる。コイルを構成する導体への給電は、マッチン
グボックスから直接配線されるカップリングコイルによ
り行われる。すなわち、コイル導体は、一対を成して対
称的に配置されるので、それらが囲む空間に、カップリ
ングコイルが配置される。カップリングコイルの装着
は、コイル導体の中心部を開口して挿入する方法が、最
も対称性が良いために、共振回路的には、Ｑ値が最も高
く最適な方法と言える。

【００１８】共振周波数を変化させる方法としては、真
空中において滑らかに駆動する必要があるという観点か
ら、従来から信頼実績のある真空バリアブルコンデンサ
−を使用する方法が現在のところ最も適している。もち
ろん、これに限定されるものではない。

【００１９】従って、ＬＣ共振をとるための回路とし
て、この真空バリアブルコンデンサによる容量、およ
び、リード導体の一部をインダクタンスとして機能させ
た本発明は、配線によるインダクタンス分が実用上無視
できる程度に小さくできるため、最も理想的な回路構造
を持った外部共振型四重極粒子加速器ということができ
る。

【００２０】

【作用】本発明では、コンデンサと共に高周波共振回路
を構成するインダクタンス部材（コイル）が、コンデン
サと加速管の電極との間に直列に配置される。このよう
な構成とすることにより、コンデンサと加速管の電極と
がインダクタンス部材（コイル）を用いて接続される。
このような構成により、リード導体を、インダクタンス
の機能と給電の機能とを兼ねさせることができる。

【００２１】リード導体は、その形状により、高周波的
に所望のインダクタンスを持つコイルとして形成するこ
とができる。このため、このリード導体からなるコイル
を真空バリアブルコンデンサと共に用いることにより、
ＬＣ共振回路を構成することができる。

【００２２】半径ａ、巻数Ｎ、長さｌのコイルのインダ
クタンスＬは、次式で表わされる。

【００２３】

【数３】Ｌ＝Ｋπａ²μ₀Ｎ²/ｌ ……(3) ただし、Ｋはａとｌの比で決まる定数（長岡定数）、μ
₀は真空中の透磁率である。

【００２４】数３から明らかなように、コイルのＬ値を
変化させるには、コイルの半径ａ、巻数Ｎ、長さｌのど
れかを変えればよい。

【００２５】ＭＨｚ帯の高周波回路設計の基本は、配線
の長短による寄生インダクタンス、ストレ・キャパシタ
ンスを極力小さくし、設計通りの共振周波数を得ること
である。従って、本発明のように、コンデンサと加速管
の電極との間にコイルを直列に配置する構成とすれば、
周波数可変範囲の広い四重極粒子加速器が実現できる。
特に、配線自体をインダクタンスとして利用して外部共
振させれば、最も理想的な周波数可変型の四重極粒子加
速器が提供できる。

【００２６】本発明によれば、エネルギ−可変型四重極
粒子加速器の外部共振回路性能を最大限に生かすことが
できるため、１００倍以上の広範囲に渡ってエネルギ−
が変えられる高エネルギ−大電流イオン打ち込み装置が
提供できる。さらに共振回路を効率良く構成させること
ができるため、装置全体をよりコンパクトにすることが
できる。

【００２７】

【実施例】本発明の一実施例を図１（Ａ）およびその断
面図である図１（Ｂ）を用いて説明する。

【００２８】本実施例の四重極粒子加速器は、四重極を
構成する電極を内部に有する加速管９と、該加速管９の
外部にあって、上記電極に高周波共振電圧を供給する外
部共振回路とを備えて構成される。

【００２９】四重極電極は、軸方向に沿って波打たせた
面を持つ棒状の部材からなる電極１ａ、１ｂ、１ｃ、１
ｄを有し、それらの電極１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄは、波
打っている面を互いに向かい合わせて配置される。これ
らの電極１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄは、絶縁物８を介して
加速管９から絶縁されている。

【００３０】外部共振回路は、１００ｐＦから１０００
ｐＦまで容量が変えられる容量Ｃ₁のコンデンサ３と、
配線導体兼インダクタンス部材として機能するコイル導
体１０ａ，１０ｂとを有して構成される。この共振回路
への高周波電力供給手段としては、高周波電力を発振す
ると共に増幅して出力する周波数可変型高周波電源５
と、出力される高周波電力を外部共振回路に給電するた
めのカップリングコイル４と、高周波電源５とカップリ
ングコイル４のインピーダンスマッチングをとるマッチ
ングボックス６とを有するものが用いられる。

【００３１】コイル導体１０ａ，１０ｂは、共に、わん
曲した金属板で構成され、それぞれインダクタンスＬ₁
／２を有する。両者は、実質的に同一の形状を有し、空
間を挾んで対称的に配置されて、一対を成している。コ
イル導体１０ａの一端は、コンデンサ３に接続され、他
端は、電極１ｂに接続され、さらに、リード導体７ａを
介して電極１ｄに接続される。また、コイル導体１０ｂ
の一端は、コンデンサ３に接続され、他端は、電極１ｃ
に接続され、さらに、リード導体７ｂを介して電極１ａ
に接続される。これにより、コイル導体１０ａ，１０ｂ
は、コンデンサ３と上記加速管９との間に直列に配置さ
れ、インダクタンスがＬ₁／２であるインダクタンス部
材として機能すると同時に、各電極に給電するリード導
体としても機能する。

【００３２】なお、リード導体７ａは、電極１ｂと１ｄ
との間、リード導体７ｂは、電極１ｃと１ａとの間の接
続も行う。また、リード導体７ａおよび７ｂをコイル導
体１０ａ，１０ｂに接続せず、電極１ｂおよび１ｄと接
続して、これを介して、電極１ａ，１ｄについての給電
を行う構成としてもよい。

【００３３】四重極電極の長さは、通常１〜２メ−トル
程度であるため、コイル導体の長さとして、最大で四重
極電極の長さ程度までは自由に変えられる。実際上のコ
イル導体１０ａ，１０ｂの長さとしては、冷却を考慮し
て最小１０ｃｍ、最大２ｍのものが段階的に用意できる
ことになる。数３から、コイル導体１０ａ，１０ｂは、
その合成インダクタンスＬ₁は、約２０倍の変化をさせ
ることができる。

【００３４】図１に示す本実施例における共振回路の等
価回路は、図６に示すように、直列共振回路となる。こ
の等価回路の共振周波数ｆは、次式で表される。

【００３５】

【数４】

【００３６】例えば、上述したように、実用的な範囲と
して、コンデンサ３のＣ₁が１００ｐＦから１０００ｐ
Ｆまで変化させることができ、Ｃ₂が５００ｐＦ、さら
に離散的に変化させるコイル導体のＬ₁として０.０３μ
Ｈから０.１μＨまでの３倍変化させた場合には、全体
的にカバ−できる可変範囲としては、２７.６ＭＨｚか
ら１００.７ＭＨｚまでの周波数範囲になる。本実施例
の場合には、従来と異なり、Ｌ、Ｃに、余分の別のＬ、
Ｃ値がないため、その変化分が直接ｆの変化分に寄与す
るので、従来不可能だった３.６倍の周波数変化が可能
となった。その結果として、エネルギ−を１３倍変化さ
せることが可能となる。

【００３７】さらに、本実施例において、上述のよう
に、コイル導体１０ａ，１０ｂの合成インダクタンスＬ
₁を最大で２０倍、コンデンサ３の容量を最大限変化さ
せるとすれば、ｆの可変範囲は、１０倍以上にも拡が
る。そうなれば、エネルギ−は１００倍以上も変化させ
ることができる。

【００３８】このように、本実施例によれば、エネルギ
−可変型四重極粒子加速器の外部共振回路性能を最大限
に生かすことができるため、１００倍以上の広範囲に渡
ってエネルギ−が変えられる高エネルギ−大電流イオン
打ち込み装置が提供できる。さらに、共振回路を効率良
く構成させることができるため、装置全体をよりコンパ
クトにすることができる。

【００３９】また、本実施例では、図１に示すように、
電極１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄに対する共振回路からの給
電が対称的となるように、加速管および外部共振回路を
配置してある。すなわち、加速管９は、外部共振回路に
対して、四重極電極の各電極１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄが
Ｘ状に配置されるように設置される。そして、電極１
ｂ、１ｃには、コイル導体１０ａ，１０ｂから直接給電
され、電極１ａ、１ｄには、それぞれリード導体７ａ，
７ｂを介して給電される。リード導体７ａ，７ｂに実質
的に同一形状の金属片を用いると共に、両者を対称的に
配置することにより、コイル導体１０ａおよびリード導
体７ａとコイル導体１０ｂおよびリード導体７ｂとが対
称的に配置される。これにより、四重極電極へ印加する
正負の高周波電圧を均等にすることができる。

【００４０】さらに、本実施例では、電力を電極１ｂお
よび１ｃに直接給電して、電極１ａおよび１ｄにはそれ
ぞれリード導体７ａ、７ｂから給電しているが、カップ
リングコイル４を、１ｂ−１ａ間、１ａ−１ｄ間、およ
び１ｄ−１ｃ間にも配置する構成としてもよい。これに
よっても、上述した実施例と同様の効果があり、さら
に、四重極電極へ印加する正負の高周波電圧をより均等
にすることができる。

【００４１】本発明の第２の実施例を図５により説明す
る。本実施例は、その基本的な構成については、図１に
示した実施例と同じである。ここでは、相違する点につ
いて説明する。

【００４２】本実施例は、図１のコンデンサ３の代わり
に、容量が同じコンデンサ３を２本直列に配置し、さら
に、その中点を接地したものである。このようにするこ
とで、個々のコンデンサ３により、それぞれの四重極電
極へ印加する正負の高周波電圧を完全に均等にすること
ができる。これは、例えば、図２に示した、従来の並列
共振回路に適用しても有効である。

【００４３】本発明の第３の実施例について、図７によ
り説明する。本実施例は、その基本的な構成について
は、図１に示した実施例と同じである。ここでは、相違
する点について説明する。

【００４４】本実施例は、図７に示すように、コイルの
円周方向の長さを連続に変えられるような構造（数３の
ａを可変にしたことと等価）として、インダクタンスＬ
₁を連続可変にしている。すなわち、コイルとして、平
行に配置された導体１２ａ，１２ｂと、これらの導体１
２ａ，１２ｂ間を移動可能に接続する導体１２ｃとを備
える。導体１２ａは、その一端が電極１ｂに接続され
る。また、導体１２ｂは、その一端がコンデンサ３に接
続される。また、同様に構成される導体１３ａ，１３
ｂ，１３ｃを有する。

【００４５】このような構成により、周波数可変範囲を
さらに広くできるばかりでなく、上述の図５の実施例の
場合と同様に、四重極電極へ印加する正負の高周波電圧
を完全に均等にすることができる。

【００４６】また、コイルの軸方向の長さを連続可変に
しても同様の効果がある（数３のｌを可変にしたことと
等価）。

【００４７】本発明の第４の実施例について図８により
説明する。本実施例は、その基本的な構成については、
図１に示した実施例と同じである。ここでは、相違する
点について説明する。

【００４８】本実施例は、図８に示すように、共振回路
全体を任意の直流電位に調整できるようにしたものであ
る。すなわち、例えば、コイル導体１０ｂに、チョーク
コイル１１を介して直流電源１４を接続する。これによ
り、加速管９に入射するイオンビ−ムのエネルギ−を任
意に設定できるため、イオンビ−ム生成源であるイオン
源を常に最適な状態に保ち、種々のイオン種に対して
も、常に最大のビ−ム電流を得ることが可能となる。こ
の時、図に示すように直流電源と共振回路との間にチョ
−クコイル１１等を挿入することにより、直流電源１４
を高周波的に絶縁することができる。

【００４９】また、共振回路全体を接地電位から浮かせ
る代わりに、加速管９のみを絶縁して、任意の直流電位
に調整できるようにしても同様の効果がある。加速管９
の絶縁方法としては、加速管９とコイル導体との間にコ
ンデンサを挿入する方法などが考えられる。

【００５０】上記した各実施例は、それぞれ他の実施例
の特徴を組み込むことができる。

【００５１】

【発明の効果】本発明によれば、共振周波数を広範囲で
変化させることができ、広範囲のエネルギ−領域で任意
のイオンを加速できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の加速器の第１の実施例の構成を示し、
（Ａ）は本実施例の加速器の上面を示す上面図、（Ｂ）
は本実施例の加速器の断面を模式的に示す断面図。

【図２】従来の外部共振型四重極粒子加速器を示す断面
図。

【図３】従来の外部共振型四重極粒子加速器の等価回路
を示す回路図。

【図４】従来の外部共振型四重極粒子加速器の等価回路
を示す回路図。

【図５】本発明の第２の実施例の構成を模式的に示す断
面図。

【図６】本発明の外部共振型四重極粒子加速器の等価回
路を示す回路図。

【図７】本発明の第３の実施例の構成を模式的に示す断
面図。

【図８】本発明の第４の実施例の構成を模式的に示す断
面図。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ…電極、２…コイル、３…コン
デンサ、４…カップリングコイル、５…周波数可変型高
周波電源、６…マッチングボックス、７…リード導体、
８…絶縁物、９…加速管、１０ａ，１０ｂ…コイル導
体、１１…チョ−クコイル。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】四重極を構成する電極を内部に有する加速
管と、該加速管の外部にあって、上記電極に共振電圧を
供給する高周波共振回路とを備える四重極粒子加速器に
おいて、上記高周波共振回路は、コンデンサおよびインダクタン
ス部材で構成され、該インダクタンス部材は、コンデン
サと上記加速管との間に直列に配置されることを特徴と
する四重極粒子加速器。
【請求項２】請求項１において、コンデンサとして容量
可変型のコンデンサを使用することを特徴とする四重極
粒子加速器。
【請求項３】請求項１または２において、インダクタン
ス部材として、コイルを構成する導体を用いることを特
徴とする四重極粒子加速器。
【請求項４】請求項３において、コイルを構成する導体
は、２枚で一対を成し、それぞれが実質的に同一の形状
の金属板からなるものである四重極粒子加速器。
【請求項５】請求項４において、コイルを構成する導体
は、対称的に配置されるものである四重極粒子加速器。
【請求項６】請求項１または２において、インダクタン
ス部材としてインダクタンス可変型のコイルを使用する
ことを特徴とする四重極粒子加速器。
【請求項７】請求項１，２，３，４，５または６におい
て、インダクタンス部材に、直流電源を接続して、加速
管内の四重極電極の電位を任意の直流電位に調整可能と
したことを特徴とする四重極粒子加速器。