JPH09213498A - Quadrupole ion storage ring - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】イオン蓄積リングに関し、特にキロ電子ボルト
以下の低エネルギーイオンビームを安定に蓄積し、その
イオンビームを加速、減速する手段を提供すること。
【解決手段】真空中に配置された加速手段を備えた高周
波四重極リング電極と、イオン蓄積用高周波電源、加速
手段、そして遠心力補償直流電圧印加電源からなる。
The present invention relates to an ion storage ring, and particularly to a means for stably accumulating a low-energy ion beam of kiloelectron volts or less and accelerating and decelerating the ion beam. A high frequency quadrupole ring electrode having an accelerating means arranged in a vacuum, a high frequency power source for ion storage, an accelerating means, and a centrifugal force compensating DC voltage applying power source.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は1キロ電子ボルト程
度またはこれより低レベルの低速イオンビーム蓄積装置
に関し、低速イオンビームを周回軌道上に安定に蓄積す
る高周波四重極イオン蓄積リングと、イオンビームを注
入し、取り出す手段と、蓄積されたイオンビームを加速
及び減速する手段からなり、原子、分子の物理現象の解
明手段、分光分析の手段、そしてレーザ冷却等のイオン
ビーム操作応用、物体へのイオンビーム注入に有効であ
る。さらに、質量分析手段、イオン分子反応を発生させ
る手段を併設することにより新物質の生成手段としても
有効である。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a low-speed ion beam storage device having a level of about 1 kiloelectron volt or lower, and a high-frequency quadrupole ion storage ring for stably storing a low-speed ion beam on a circular orbit, and an ion. It consists of means for injecting and extracting the beam and means for accelerating and decelerating the accumulated ion beam.Means for elucidating physical phenomena of atoms and molecules, means for spectroscopic analysis, and application of ion beam operation such as laser cooling to objects. Is effective for ion beam implantation. Further, by additionally providing a mass spectrometric means and a means for generating an ion molecule reaction, it is effective as a means for producing a new substance.
【0002】[0002]
【従来の技術】イオン蓄積リングは、素粒子物理学、原
子核物理学に用いられる高エネルギー粒子を得るための
加速器として発展してきた歴史的背景により、メガ電子
ボルト以上の粒子を蓄積する目的で建設されてきた。ビ
ーム軌道を一定に保つ現実的要請から現在ではシンクロ
トロン加速機能を持った磁場による強収束蓄積リングが
主流となっている。2. Description of the Related Art An ion storage ring has been constructed for the purpose of accumulating particles of mega electron volts or more due to the historical background that has developed as an accelerator for obtaining high-energy particles used in elementary particle physics and nuclear physics. It has been. Due to the practical requirement to keep the beam orbit constant, the strong-convergence storage ring with a magnetic field having a synchrotron acceleration function is now the mainstream.
【0003】しかし近年、低エネルギー現象である原
子、分子の物理現象の解明手段として、数十メガ電子ボ
ルト以下の蓄積されたイオンビームが求められるように
なってきた。その実現方法としては、現在実際に建設さ
れている蓄積リングは従来の高エネルギー加速器で用い
られていた磁場による蓄積方法を用いた蓄積リングであ
る。(例えば、M.Larssonら著: Physical Review Lette
r Vol.70 Page 430(1993))。しかしこの方式のイオン
蓄積リングは、安定で再現性のある弱磁場を得ることの
困難さから、蓄積可能なイオンビームの下限は数キロ電
子ボルト程度となっている。However, in recent years, accumulated ion beams of several tens of megaelectron volts or less have been demanded as a means for clarifying the physical phenomenon of atoms and molecules, which is a low energy phenomenon. As a method of realizing this, the storage ring actually constructed at present is a storage ring using the storage method by the magnetic field used in the conventional high energy accelerator. (For example, M. Larsson et al .: Physical Review Lette
r Vol.70 Page 430 (1993)). However, in this type of ion storage ring, it is difficult to obtain a stable and reproducible weak magnetic field, so the lower limit of the ion beam that can be stored is about several kilo-electron volts.
【0004】これに対し、1キロ電子ボルト程度または
これより低レベルの低速イオンビームを蓄積する手段と
して、高周波四重極電場による集束力を用い、イオンを
蓄積する方法が提案されている。その電極構造は図1に
示すように4つのリング電極11乃至14を組み合わ
せ、その断面は四極子構造をしている。この電極に電極
11及び14、電極12及び13がそれぞれ同電位にな
るように結線して、これらの間に、高周波電源装置15
により角周波数Ω、振幅2Vrfの高周波電圧を印加し、
電極内部に四重極電場を形成する。このときΩとVrfを
以下のように選ぶと、高周波四重極電場によりイオンは
r=0で表される円軌道上に強集束され、リング内部に
蓄積される。以下の計算ではmおよびQはそれぞれイオ
ンの質量と電荷、VrfとΩはそれぞれ高周波電圧の振幅
と角周波数、2r0は電極間距離を表す。簡単のため電
極の曲率を無視すると、この強集束作用は(数1)で表
される安定パラメータqがq<0.91を満たすときに
イオンは四重極中心に向けて強集束される。On the other hand, as a means for accumulating a low-speed ion beam having a level of about 1 kilo-electron volt or lower, a method of accumulating ions by using a focusing force by a high-frequency quadrupole electric field has been proposed. The electrode structure is a combination of four ring electrodes 11 to 14 as shown in FIG. 1, and its cross section has a quadrupole structure. Electrodes 11 and 14 and electrodes 12 and 13 are connected to this electrode so that they have the same potential, respectively, and a high frequency power supply device 15 is provided between them.
By applying a high frequency voltage of angular frequency Ω, amplitude 2Vrf,
A quadrupole electric field is formed inside the electrode. At this time, if Ω and Vrf are selected as follows, the ions are strongly focused on the circular orbit represented by r = 0 by the high frequency quadrupole electric field and accumulated inside the ring. In the following calculation, m and Q represent the mass and charge of the ions, Vrf and Ω represent the amplitude and angular frequency of the high frequency voltage, and 2r0 represents the distance between the electrodes. Ignoring the curvature of the electrode for simplicity, this strong focusing action causes the ions to be strongly focused toward the center of the quadrupole when the stability parameter q expressed by (Equation 1) satisfies q <0.91.
【0005】[0005]
【数1】 [Equation 1]
【0006】この強集束効果は(数2)、(数3)で与
えられる調和ポテンシャルとして記述できる。This strong focusing effect can be described as a harmonic potential given by (Equation 2) and (Equation 3).
【0007】[0007]
【数2】 [Equation 2]
【0008】[0008]
【数3】 (Equation 3)
【0009】このポテンシャルは一般に擬ポテンシャル
と呼ばれ、Dは擬ポテンシャルの深さを与える。また擬
ポテンシャルによるイオンの調和振動を永年運動と呼
び、その周波数ω0は(数4)で与えられる。This potential is generally called a pseudopotential, and D gives the depth of the pseudopotential. The harmonic vibration of ions due to pseudopotential is called secular motion, and its frequency ω0 is given by (Equation 4).
【0010】[0010]
【数4】 (Equation 4)
【0011】以上で示した高周波四重極蓄積リングの従
来例は、陽子の反粒子である反陽子を蓄積するために作
られた高周波四重極イオン蓄積リングである(例えば、
B.I.Deutchら著:Physica Scripta T22巻 248頁(1988年
発行))。この従来例では2.5キロ電子ボルトの運動
エネルギーを持つ反陽子ビームを蓄積することを目指し
ている。リング電極へのイオンビームの注入はイオンビ
ームがリング電極内を通過しているときに、高周波電場
を印加しはじめることにより、イオンビームを捕捉する
ことが提案されている。A conventional example of the high-frequency quadrupole storage ring shown above is a high-frequency quadrupole ion storage ring made to store antiprotons, which are antiparticles of protons (for example,
BI Deutch et al .: Physica Scripta T22 Vol. 248 (published 1988)). This conventional example aims at accumulating an antiproton beam having a kinetic energy of 2.5 kiloelectron volts. It has been proposed to inject the ion beam into the ring electrode by trapping the ion beam by starting to apply a high frequency electric field when the ion beam is passing through the ring electrode.
【0012】[0012]
【発明が解決しようとする課題】上記従来例のアイデア
には、以下の2つの点が工業的な意味で問題になりう
る。第一はイオンビームを注入するための高周波電源で
ある。イオンビームがリング電極内を通過している最中
に高周波を印加することになるので、高周波印加回路に
は通過時間程度で立ち上がる高速性が要求される。その
ためには高周波回路系のインピーダンスを下げ、さらに
この低いインピーダンスの回路系を駆動できる大電力容
量の高周波電源装置が必要となる。本論文では51MH
z、2.6kVの高周波電圧を1000ナノ秒の間に印
加する必要があるとし、そのための2KWの高周波電源
を用いている。しかしイオンを注入する為だけにこのよ
うな大電力高周波電源を用いることは効率的ではない。The following two points can be problematic in the industrial sense in the idea of the above-mentioned conventional example. The first is a high frequency power supply for implanting an ion beam. Since the high frequency is applied while the ion beam is passing through the inside of the ring electrode, the high frequency applying circuit is required to have a high speed to rise in about the transit time. For that purpose, it is necessary to lower the impedance of the high-frequency circuit system and further to provide a high-frequency power supply device with a large power capacity capable of driving the circuit system having the low impedance. 51 MH in this paper
It is necessary to apply a high frequency voltage of 2.6 kV for 1000 nanoseconds, and a high frequency power supply of 2 KW is used for that purpose. However, it is not efficient to use such a high power high frequency power supply only for implanting ions.
【0013】第二に周回運動するイオンビームの平均軌
道が遠心力により擬ポテンシャルの底から外周側に変移
することにより発生する不具合である。本論文では遠心
力と擬ポテンシャルによる向心力が釣り合う位置がイオ
ンの標準軌道となる。この位置はイオンビームのエネル
ギーが増大するにつれて外側に移動する。その様子を計
算により図2に示す。Secondly, there is a problem that occurs when the average orbit of the orbiting ion beam is displaced from the bottom of the pseudopotential to the outer peripheral side by the centrifugal force. In this paper, the position where the centrifugal force and the centripetal force due to the pseudopotential balance is the standard orbit of the ion. This position moves outward as the energy of the ion beam increases. The calculation is shown in FIG.
【0014】電極の半径をRとし、標準イオン21の運
動エネルギーをEs、標準速度をvs、半径Rからの標準
軌道半径の拡張量をrs、そして標準角周波数をωsとす
る。ωsの定義式は(数5)であり、イオンの遠心力と
擬ポテンシャルによる力の釣り合い条件は(数6)で与
えられる。The radius of the electrode is R, the kinetic energy of the standard ion 21 is Es, the standard velocity is vs, the expansion amount of the standard orbit radius from the radius R is rs, and the standard angular frequency is ωs. The definitional expression of ωs is (Equation 5), and the equilibrium condition between the centrifugal force of ions and the force due to the pseudopotential is given by (Equation 6).
【0015】[0015]
【数5】 (Equation 5)
【0016】[0016]
【数6】 (Equation 6)
【0017】(数5)(数6)より遠心力が作用すると
きの軌道半径R+rsが決まる。すなわち遠心力による
標準軌道の拡張量rsは(数7)で与えられる。From equations (5) and (6), the orbital radius R + rs when the centrifugal force acts is determined. That is, the expansion amount rs of the standard trajectory due to the centrifugal force is given by (Equation 7).
【0018】[0018]
【数7】 (Equation 7)
【0019】このrsの位置で、イオンビームは強い高
周波電場を常に受けることになり、高周波振動数と同振
動数で振動を始める。この振動はマイクロ運動と呼ばれ
る。すなわちイオンに外乱が働き、イオンビームの安定
性をみだすことになる。そのときのエネルギーはrsで
の擬ポテンシャルの大きさに等しい。すなわち(数7)
で与えられるrsを用いてイオンビームの横方向の振動
エネルギーKは(数8)で与えられる。At this position of rs, the ion beam always receives a strong high-frequency electric field, and starts to vibrate at the same high-frequency frequency. This vibration is called micromotion. That is, a disturbance acts on the ions, and the stability of the ion beam is found out. The energy at that time is equal to the magnitude of the pseudopotential at rs. That is (Equation 7)
The vibration energy K in the lateral direction of the ion beam is given by (Equation 8) using rs given by
【0020】[0020]
【数8】 (Equation 8)
【0021】そこで、本発明の第一の課題は、高周波電
場の外乱を受けずにイオンビームを安定に蓄積する四重
極イオン蓄積リングを提供することにある。そして、第
二の課題は、大電力高周波電源の必要性を回避した四重
極イオン蓄積リングを提供することである。そして、第
三の課題は、このイオンビームを産業として利用する応
用分野、そしてその方法を提供することである。Therefore, a first object of the present invention is to provide a quadrupole ion storage ring for stably storing an ion beam without being disturbed by a high frequency electric field. And a second problem is to provide a quadrupole ion storage ring that avoids the need for a high power, high frequency power supply. And the 3rd subject is to provide the application field which uses this ion beam as industry, and its method.
【0022】[0022]
【課題を解決するための手段】第一の課題を解決するた
めの示唆をI.Wakiら著:Physical Review Letters 68巻
2007頁(1992年発行)が与えてくれる。すなわちこの論文
では、蓄積リング内で発生させたほとんど静止させたイ
オンを1時間程度蓄積し、さらにこれらのイオンをレー
ザ冷却することにより、イオンがお互いにクーロン力で
反発し合うために生成される配列状態を観察している。
この現象はイオンの熱運動を増長するような外乱が大き
い場合には実現されない。すなわち、この論文は、イオ
ンが位置する擬ポテンシャルの底ではイオンへの外乱が
きわめて小さいことを示している。[Means for Solving the Problem] Suggestions for Solving the First Problem by I. Waki et al .: Physical Review Letters Volume 68
2007 pages (published in 1992) will give you. In other words, in this paper, almost stationary ions generated in the storage ring are accumulated for about 1 hour, and these ions are laser-cooled, so that the ions repel each other by Coulomb force. Observing the arrangement state.
This phenomenon is not realized when there is a large disturbance that enhances the thermal motion of the ions. That is, this paper shows that the disturbance to the ion is extremely small at the bottom of the pseudopotential where the ion is located.
【0023】つまり、本発明の第一の課題を解決するに
はイオンビームの軌道を擬ポテンシャルの底に位置する
ようにすれば、高周波電場はイオンビームの集束作用の
み関与し、イオンビームに振動を与えるような悪影響を
なくすことが出来る。そのために従来技術では擬ポテン
シャルが担っていたイオンビームの向心力を、本発明で
は別の手段によって与える。That is, in order to solve the first problem of the present invention, if the orbit of the ion beam is located at the bottom of the pseudopotential, the high frequency electric field is involved only in the focusing action of the ion beam, and the ion beam vibrates. It is possible to eliminate adverse effects such as Therefore, the centripetal force of the ion beam, which was carried by the pseudopotential in the prior art, is given by another means in the present invention.
【0024】本発明では、図3の説明図に示すように、
これをイオン蓄積リングを構成する電極のうち内側電極
11と外側電極12との間に直流電圧を重畳する手段を
設けることによって向心力を与える。25は可変直流電
源、26および27は蓄積リング電極と可変直流電源を
結ぶ高インピーダンス結線手段を表す。この直流電圧
は、イオンビームに電極の内向きの力を与える。そこで
遠心力補償直流電圧値Vcompをイオンビームのエネルギ
ーに応じて、イオンビームの受ける遠心力を補償しイオ
ンビームの平均軌道を擬ポテンシャルの底に位置するよ
うに調整する。直流電圧は電極中心部分で一様に印加さ
れるものと近似し、電極中心部分での電場勾配を(Vco
mp/a)と定義する。そしてイオンビームの遠心力を直
流電圧による力が打ち消す条件より、(数9)が導かれ
る。In the present invention, as shown in the explanatory view of FIG.
A centripetal force is applied by providing a means for superposing a DC voltage between the inner electrode 11 and the outer electrode 12 of the electrodes forming the ion storage ring. Reference numeral 25 is a variable DC power source, and 26 and 27 are high impedance connecting means for connecting the storage ring electrode and the variable DC power source. This DC voltage gives the ion beam an inward force on the electrodes. Therefore, the centrifugal force compensation DC voltage value Vcomp is adjusted according to the energy of the ion beam so that the centrifugal force received by the ion beam is compensated and the average trajectory of the ion beam is located at the bottom of the pseudopotential. The DC voltage is similar to that applied uniformly at the center of the electrode, and the electric field gradient at the center of the electrode is (Vco
mp / a). Then, from the condition that the centrifugal force of the ion beam is canceled by the force due to the DC voltage, (Equation 9) is derived.
【0025】[0025]
【数9】 [Equation 9]
【0026】以上の手段によりイオン28は図3に示す
中心軌道上を運動する場合、高周波電場を受けず、高周
波電場による外乱を受けなくなる。そして平均軌道から
Δrずれた軌道上を運動するイオン29のみ高周波電場
を受け、強収束される。以上によりイオンビームの安定
な周回運動を実現する。By the above means, when the ions 28 move on the central orbit shown in FIG. 3, they do not receive a high frequency electric field and are not disturbed by the high frequency electric field. Then, only the ions 29 moving on an orbit deviated by Δr from the average orbit receive the high frequency electric field and are strongly focused. With the above, a stable circular motion of the ion beam is realized.
【0027】第二の課題を解決するために、高周波四重
極イオン蓄積リングに加速、減速のビームエネルギー操
作手段を提供する。これにより、蓄積リング内部で作ら
れたイオンを任意のエネルギーに加速できる。この結果
として、大電力高周波電源の必要性を回避する。In order to solve the second problem, a high-frequency quadrupole ion storage ring is provided with a beam energy manipulating means for accelerating and decelerating. This allows the ions created inside the storage ring to be accelerated to an arbitrary energy. As a result of this, the need for high power RF power supplies is avoided.
【0028】これを実現する為の加速原理として、従来
のシンクロトロン加速器と同様のシンクロトロン位相安
定性原理を利用する。位相安定性の原理を用いた加速器
の提案は、1945年にマクミランによってなされてい
る(例えば、Physical Review 68巻143頁(194
5年発行))。そしてその原理解説は各所に見られる
(例えば、熊谷寛夫編:実験物理学講座:加速器 共立
出版)。As an acceleration principle for realizing this, the same synchrotron phase stability principle as that of the conventional synchrotron accelerator is used. A proposal for an accelerator using the principle of phase stability was made by Macmillan in 1945 (for example, Physical Review 68: 143 (194).
Issued for 5 years)). And the explanation of the principle can be found in various places (eg Hiroo Kumagai: Experimental Physics Course: Accelerator Kyoritsu Shuppan).
【0029】以下、本発明を実現する位相安定性の原理
を適用した高周波四重極イオン蓄積リングの2つの考え
方を説明する。Two concepts of the high frequency quadrupole ion storage ring to which the principle of phase stability for realizing the present invention is applied will be described below.
【0030】第一はイオン蓄積リングを分割し、その部
分に加速空洞を用いた加速手段を挿入することである。
このための加速空洞を用いた加速手段を図4に示す。こ
れは中央部に穴を有する二枚の平板電極30および31
と加速空洞電極32からなる電極構造である。平板電極
30、31を接地し、加速空洞電極32に加速交流電圧
を交流電源33により印加する。これにより平板電極3
0、31と加速空洞との間隙に交流電場が発生する。イ
オンがこの2つの間隙を通過するときに、電場の向きに
より加速、もしくは減速される。加速空洞電極内部は等
電位なので、イオンは等速直線運動をする。この加速手
段が動作するための条件はシンクロトロン位相安定性原
理が与える。以下ではイオンの電荷は正であるとして議
論を進める。なお、図4では、リング12、14につい
てのみ示したが、リング11、13についても、対向す
る位置にも同じように設けられる。The first is to divide the ion storage ring and insert an accelerating means using an accelerating cavity in that portion.
An accelerating means using an accelerating cavity for this purpose is shown in FIG. This is two plate electrodes 30 and 31 with a hole in the center.
And an acceleration cavity electrode 32. The flat plate electrodes 30 and 31 are grounded, and an accelerating AC voltage is applied to the accelerating cavity electrode 32 by an AC power supply 33. This allows the plate electrode 3
An AC electric field is generated in the gap between 0 and 31 and the acceleration cavity. When ions pass through these two gaps, they are accelerated or decelerated depending on the direction of the electric field. Since the interior of the accelerating cavity electrode is equipotential, the ions make uniform linear motion. The condition for operating this accelerating means is given by the synchrotron phase stability principle. In the following, the discussion will proceed assuming that the charge of ions is positive. Although only the rings 12 and 14 are shown in FIG. 4, the rings 11 and 13 are similarly provided at the opposing positions.
【0031】はじめに一定の周波数の加速交流電圧を印
加した場合にイオンが加速交流電圧を受けずに安定に等
速回転する条件を求める。この為には2つの要件を満た
す必要がある。すなわち第一に速度vで運動するイオン
(以下、標準イオンと呼ぶ)が加速手段に入射したと
き、2つの加速部分に印加されている加速電場の振幅が
0であること、第二に、より早く到達したイオンは両間
隙で減速され、逆に遅く到達したイオンは加速されるよ
うな電場が作り出されることである。そのためには標準
イオンが加速空洞に入射したとき、加速交流電場の振幅
は0であり、その前後では時間的に加速空洞電圧が正か
ら負に移行している必要がある。そして加速手段から出
射されるとき、標準イオンに対しては加速交流電場の振
幅が0であり、その前後では時間的に加速空洞電圧は負
から正に移行している必要がある。以上の条件は加速空
洞の長さb,加速交流電場周波数facc、整数n(n>
=0)を用いて(数10)で与えられる。First, a condition for stably rotating ions at a constant speed without receiving an accelerating AC voltage when an accelerating AC voltage having a constant frequency is applied will be determined. For this purpose, it is necessary to satisfy two requirements. That is, first, when ions moving at a velocity v (hereinafter referred to as standard ions) are incident on the accelerating means, the amplitude of the accelerating electric field applied to the two accelerating portions is 0, and secondly, An electric field is created in which ions that arrive early are decelerated in both gaps, while ions that arrive late are accelerated. For that purpose, when the standard ions enter the accelerating cavity, the amplitude of the accelerating AC electric field is 0, and before and after that, the accelerating cavity voltage needs to shift from positive to negative. When ejected from the accelerating means, the amplitude of the accelerating AC electric field is 0 with respect to the standard ions, and before and after that, the accelerating cavity voltage needs to shift from negative to positive with respect to time. The above conditions are the length b of the accelerating cavity, the frequency facc of the accelerating AC electric field, and the integer n (n>n>
= 0) is given by (Equation 10).
【0032】[0032]
【数10】 (Equation 10)
【0033】さらに標準イオンがリング電極を周回して
再度加速手段に到達したとき、再び加速交流電場の振幅
は0である必要がある。そのための条件は(数11)で
与えられる。Further, when the standard ions orbit the ring electrode and reach the accelerating means again, the amplitude of the accelerating AC electric field needs to be 0 again. The condition therefor is given by (Equation 11).
【0034】[0034]
【数11】 [Equation 11]
【0035】以上の(数10)、(数11)から、電極
構造に科せられる条件(数12)、およびイオンビーム
エネルギーと加速交流電場周波数の関係式(数13)が
導出できる。From the above (Equation 10) and (Equation 11), the condition (Equation 12) imposed on the electrode structure and the relational expression (Equation 13) between the ion beam energy and the acceleration AC electric field frequency can be derived.
【0036】[0036]
【数12】 (Equation 12)
【0037】[0037]
【数13】 (Equation 13)
【0038】そしてイオンを加速する場合は、加速交流
電場の周波数を低周波から高周波側に掃引する。すると
イオンは加速交流電場が0となる位相に対し常に遅れて
やってくることになり、イオンは正の力を受け続けるの
で、加速されることになる。逆に加速交流電場を高周波
から低周波側に掃引するとイオンは加速交流周波に対し
常に進んでやってくることになり、イオンは負の力を受
け続けて減速されることになる。これが本発明の高周波
四重極蓄積リングの加速空洞による加速手段の原理であ
る。When accelerating the ions, the frequency of the acceleration AC electric field is swept from the low frequency side to the high frequency side. Then, the ions will always come behind with respect to the phase where the accelerating AC electric field becomes zero, and the ions will continue to receive a positive force, so they will be accelerated. On the contrary, when the accelerating AC electric field is swept from the high frequency to the low frequency side, the ions always move forward with respect to the accelerating AC frequency, and the ions continue to receive a negative force and are decelerated. This is the principle of the acceleration means by the acceleration cavity of the high frequency quadrupole storage ring of the present invention.
【0039】本発明の加速減速の過程では、イオン軌道
を一定に保つために、(数9)で与えられるような、イ
オンビームエネルギーに依存した可変直流電圧を印加す
る。In the acceleration / deceleration process of the present invention, in order to keep the ion orbit constant, a variable DC voltage depending on the ion beam energy is applied as given by (Equation 9).
【0040】さらにイオンビームを加速空洞と四重極電
極の接合点でなめらかな運動をさせるために、高周波四
重極部分のイオンビーム軌道上の電位を接地電位にす
る。そのために、高周波四重極電極の対角位置にある2
組の電極への高周波の印加方法は同振幅逆位相とし、電
極中心部分の高周波電位を接地電位とする。さらに内側
電極に接地に対し負電圧、外側電極には接地に対し正電
圧を印加し、電極中央部で直流電位が接地電位となるよ
うにする。Further, in order to make the ion beam move smoothly at the junction between the accelerating cavity and the quadrupole electrode, the potential on the ion beam orbit of the high frequency quadrupole portion is set to the ground potential. For that purpose, it is located at the diagonal position of the high frequency quadrupole electrode.
The method of applying the high frequency to the pair of electrodes is the same amplitude and the opposite phase, and the high frequency potential at the center of the electrode is ground potential. Further, a negative voltage with respect to ground is applied to the inner electrode, and a positive voltage with respect to ground is applied to the outer electrode so that the DC potential becomes the ground potential at the center of the electrode.
【0041】この加速空洞を用いた加速手段では、リン
グ電極の半径が小さい場合に、加速空洞内でイオンが直
進運動するため、イオンビームが円軌道上を運動するイ
オン蓄積リングとの結合が悪くなり、安定性を乱す結果
となる。そこでリング電極を、合同な2つの円弧に分断
し、その片方もしくは両方に加速空洞を挿入する。イオ
ンを加速空洞の軸に沿って、入射および射出されること
が可能となり、これより両者の結合を改善することが出
来る。そして加速空洞の挿入しない分断部分には加速空
洞と同じ長さの線形四極子電極を挿入する。2つに分断
し、その一方に加速空洞を挿入し、他方に線形四極子電
極を挿入した場合の、電極構造に科せられる条件及びイ
オンビームエネルギーと加速交流電場周波数の関係式は
それぞれ(数14)及び(数15)となる。In the accelerating means using this accelerating cavity, when the radius of the ring electrode is small, the ions move straight in the accelerating cavity, so that the ion beam is poorly coupled to the ion storage ring that moves on a circular orbit. And result in disturbed stability. Therefore, the ring electrode is divided into two congruent circular arcs, and an accelerating cavity is inserted in one or both of them. Ions can be injected and ejected along the axis of the accelerating cavity, which can improve the coupling between the two. Then, a linear quadrupole electrode having the same length as that of the accelerating cavity is inserted in the part where the accelerating cavity is not inserted. The condition imposed on the electrode structure and the relational expression between the ion beam energy and the accelerating AC electric field frequency when the cavities are divided into two, the accelerating cavity is inserted in one of them, and the linear quadrupole electrode is inserted in the other are ) And (Equation 15).
【0042】[0042]
【数14】 [Equation 14]
【0043】[0043]
【数15】 (Equation 15)
【0044】加速減速機能を実現する第二の方式は、高
周波四重極イオン蓄積リング電極を複数に分割し、その
分割された間隙に交流電圧を印加することにより加速す
るという方法である。第一の加速空洞による加速手段で
は、リング電極とは大きく異なる形状の加速電極が挿入
されたことにより、イオンへの摂動が大きくなるという
欠点が考えられる。さらに、低エネルギーイオンビーム
には加速空洞部分ではイオンへの高周波による集束力が
働かないので、その部分でイオンが失われる。これに対
し本実施例は、電極の分割されている距離を十分小さく
することによりリング上すべての位置で連続した強収束
効果を得ることが出来るという特徴がある。すなわちほ
ぼ静止したイオンさえも蓄積することが可能となる。加
速交流電圧は、分割された電極全体に印加する。すると
イオンは分割された間隙で加速もしくは減速される。分
割された電極内部ではイオンはこの交流電圧を受けない
ので周回運動する。電極を2つの合同な円弧に分割した
場合の加速交流電圧周波数とイオンビームエネルギーの
関係はシンクロトロン位相安定性の原理により、加速空
洞を用いた加速原理の場合と同様の考察により、The second method for realizing the acceleration / deceleration function is a method in which the high frequency quadrupole ion storage ring electrode is divided into a plurality of portions, and an AC voltage is applied to the divided gaps for acceleration. The accelerating means using the first accelerating cavity may have a drawback in that perturbation of ions is increased due to the insertion of an accelerating electrode having a shape greatly different from that of the ring electrode. Further, in the low energy ion beam, the focusing force due to the high frequency on the ions does not work in the accelerating cavity portion, so that the ions are lost in that portion. On the other hand, the present embodiment is characterized in that it is possible to obtain a continuous strong focusing effect at all positions on the ring by making the distance at which the electrodes are divided sufficiently small. That is, it becomes possible to accumulate even almost stationary ions. The acceleration AC voltage is applied to the entire divided electrodes. Then, the ions are accelerated or decelerated in the divided gap. Inside the divided electrodes, the ions do not receive this AC voltage, and thus move circularly. The relationship between the acceleration AC voltage frequency and the ion beam energy when the electrode is divided into two congruent arcs is based on the principle of synchrotron phase stability.
【0045】[0045]
【数16】 (Equation 16)
【0046】で与えられる。Is given by
【0047】この場合、分割数を3カ所乃至それ以上に
とることによりリング内部で生成したイオンを初速度ゼ
ロの状態から加速できる。それは分割数を3カ所以上と
し、各分割された電極に位相をずらした加速交流電圧を
印加することにより、2つの分割数では不可能であった
加速される方向を一意的に決めることが出来るからであ
る。In this case, the ions generated inside the ring can be accelerated from the state of zero initial velocity by setting the number of divisions to 3 or more. The number of divisions is three or more, and by applying an accelerating AC voltage with a phase shift to each divided electrode, it is possible to uniquely determine the direction of acceleration that was impossible with two divisions. Because.
【0048】この結果、イオンをビームとして入射する
必要が無くなり、高電力容量の高周波電源が不要にな
る。As a result, it is not necessary to inject ions as a beam, and a high frequency power source with high power capacity is not required.
【0049】本実施例の分割した電極に加速交流電圧の
印加するにあたって、高周波周波数での電極の接地に対
するインピーダンスを下げないことが重要となる。そこ
で電極の分割部分に結線したトランスを通じて交流を印
加する方法により接地に対する高いインピーダンスを確
保する。When applying an accelerating AC voltage to the divided electrodes of this embodiment, it is important not to lower the impedance of the electrodes to ground at a high frequency. Therefore, a high impedance to ground is secured by a method of applying an alternating current through a transformer connected to the divided parts of the electrodes.
【0050】以上の位相安定性の議論では、加速空洞と
イオン周回軌道の長さの関係が厳密に規定されている。
しかし、これをイオン蓄積リングの製作精度のみで達成
することは、リング周長が短い本発明の場合、困難が予
想される。これを回避する方法を以下に開示する。In the above discussion of phase stability, the relationship between the acceleration cavity and the length of the ion orbit is rigorously defined.
However, achieving this with only the manufacturing precision of the ion storage ring is expected to be difficult in the case of the present invention having a short ring circumference. A method for avoiding this will be disclosed below.
【0051】この困難は加速空洞長、もしくはイオン周
回軌道長のどちらか一方が実効的に可変にできれば回避
されるものである。本発明では、イオン軌道の一部分に
直流電圧を印加することでイオン周回軌道長を実効的に
可変とする。すなわち、正イオンを蓄積している場合、
周回軌道上の一部分が他の部分に比べ正の静電位を持っ
ていれば、この部分でのイオン速度は小さくなるので、
イオンの周回時間は印加しない場合に比べ長くなる。逆
に負静電位を持たせれば、この部分でのイオン速度は大
きくなるので、イオンの周回時間は印加しない場合に比
べ短くなる。以上のように、イオン軌道の一部分に直流
電圧を印加することにより、イオンビーム軌道を実効的
に微調整することが可能である。実施に際しては、加速
空洞部分に直流電圧を重畳する方法、もしくは高周波四
重極イオン蓄積リングの周回軌道に沿った一部分を切断
して直流的に絶縁し、ここにイオン蓄積用高周波電圧に
重畳して直流電圧を印加する。This difficulty can be avoided if either the acceleration cavity length or the ion orbital length can be effectively changed. In the present invention, the ion orbital length is effectively variable by applying a DC voltage to a part of the ion orbital. That is, when accumulating positive ions,
If part of the orbit has a positive electrostatic potential compared to other parts, the ion velocity at this part will be smaller, so
The ion circulation time is longer than that when no voltage is applied. On the contrary, if a negative electrostatic potential is given, the ion velocity at this portion becomes high, and the orbiting time of the ions becomes shorter than that when no voltage is applied. As described above, it is possible to effectively fine-tune the ion beam trajectory by applying the DC voltage to a part of the ion trajectory. When implementing, a method of superimposing a DC voltage on the accelerating cavity part, or cutting a part along the orbit of the high frequency quadrupole ion storage ring to insulate it DC and superimposing it on the high frequency voltage for ion storage DC voltage is applied.
【0052】本発明を実施することにより、従来の磁場
を用いていたイオン蓄積リング、および高周波四重極イ
オン蓄積リングでは不可能であったキロ電子ボルトより
低レベルのイオンビームを安定に蓄積することが可能と
なる。By carrying out the present invention, an ion beam of a level lower than kilo-electron volt, which is impossible with the ion storage ring and the high-frequency quadrupole ion storage ring using the conventional magnetic field, is stably stored. It becomes possible.
【0053】さらに遠心力補償直流電圧を印加すること
により、高周波電場で遠心力を補償していた従来方法よ
り高いエネルギーのイオンビームを蓄積出来るようにな
る。以下にその様子を示す。従来技術では、イオンビー
ムは、それが受ける遠心力と擬ポテンシャルによる力の
釣り合いによって、周回運動をしているので、蓄積可能
なイオンビームのエネルギーは擬ポテンシャルの深さD
で制限されていた。すなわちrsがr0を越えるとイオン
ビームは電極に衝突し、失われることになるので、蓄積
可能なイオンビームの最大エネルギーEs(max)は、(数
7)を用いてrs(Es=Esmax)=r0より、(数1
7)となる。Further, by applying a centrifugal force compensation DC voltage, it becomes possible to accumulate an ion beam having a higher energy than in the conventional method in which the centrifugal force is compensated by a high frequency electric field. The situation is shown below. In the conventional technique, the ion beam makes an orbital motion due to the balance between the centrifugal force received by the ion beam and the force due to the pseudopotential, so that the energy of the storable ion beam is the depth D of the pseudopotential.
Was restricted by. That is, when rs exceeds r0, the ion beam collides with the electrode and is lost. Therefore, the maximum energy Es (max) of the storable ion beam is rs (Es = Esmax) = From r0, (Equation 1
7).
【0054】[0054]
【数17】 [Equation 17]
【0055】一方、本発明では、イオンビームの角周波
数ωsが永年運動周波数ω0に一致するまで蓄積、加速で
きる。周回運動周波数が永年運動周波数に一致すると加
速手段はイオンの進行方向と垂直方向の振動である永年
運動にエネルギーを与えるようになり、イオンが共振
し、不安定になり電極から失われることを意味する。そ
こで遠心力を直流電圧で補償した場合の蓄積可能上限エ
ネルギーは(数18)となる。On the other hand, in the present invention, accumulation and acceleration can be performed until the angular frequency ωs of the ion beam matches the secular motion frequency ω0. When the orbital motion frequency coincides with the secular motion frequency, the accelerating means gives energy to secular motion, which is the vibration in the direction perpendicular to the traveling direction of the ions, which means that the ions resonate and become unstable and lost from the electrodes. To do. Therefore, the upper limit energy that can be accumulated when the centrifugal force is compensated by the DC voltage is (Equation 18).
【0056】[0056]
【数18】 (Equation 18)
【0057】一般に(数18)は(数17)よりも大き
い。つまり従来技術よりも高いエネルギーのイオンビー
ムを蓄積できるようになる。Generally, (Equation 18) is larger than (Equation 17). That is, it becomes possible to store an ion beam having a higher energy than in the conventional technique.
【0058】また従来の高周波四重極イオン蓄積リング
には備えていなかった加速手段を設けることによりその
ビームをキロ電子ボルト以下の任意のエネルギーに加速
減速させることが可能になる。Further, by providing an accelerating means which is not provided in the conventional high frequency quadrupole ion storage ring, the beam can be accelerated and decelerated to an arbitrary energy of kiloelectron volts or less.
【0059】さらに、加速手段を備えることにより、蓄
積リング電極内部で発生させたイオンを加速することに
より、イオンビームを蓄積リング内部で生成させること
ができる。そこで従来技術のようにイオンビームを注入
するために高周波振幅を高速変化させる必要はない。つ
まりイオン蓄積のための高周波振幅を一定に保てばよい
ので、高周波回路系のインピーダンスを高くとり、低電
力の高周波電源による駆動が可能となる。Further, by providing an accelerating means, it is possible to generate an ion beam inside the storage ring by accelerating the ions generated inside the storage ring electrode. Therefore, unlike the prior art, it is not necessary to change the high frequency amplitude at high speed in order to implant the ion beam. That is, since it is sufficient to keep the high frequency amplitude for ion accumulation constant, the high frequency circuit system can have a high impedance and can be driven by a low power high frequency power source.
【0060】イオン入射に関連して高電力容量の高周波
電源を不要とする別の方法は、四重極蓄積リングにイオ
ンビーム入射のための専用イオンビーム入射路を設ける
方法である。また同じ原理で、イオンビーム出射路を設
けることもできる。まず、本発明のイオンビーム入射・
出射路の電極構造と原理を示す。Another method for eliminating the need for a high-frequency power source having a high power capacity in connection with ion injection is to provide a dedicated ion beam injection path for ion beam injection in the quadrupole storage ring. Also, an ion beam emitting path can be provided on the same principle. First, the ion beam injection of the present invention
The electrode structure and principle of the exit path are shown.
【0061】このイオン入射路・出射路を設けるための
電極構造は、イオンビーム軌道に垂直な断面を見た場
合、イオンビームの軌道が為す面上に、四重極電極の同
相の高周波電圧が印加される2つの電極が位置するよう
にし、そしてイオンビームの軌道を上下から2つの電極
で挟んだ形の四重極構造とする。そして、分岐部分で
は、少なくとも3つの線形四重極電極構造が交わる。そ
の電極構造は、まず、イオンビームの軌道が為す面上に
位置する電極の構造は、隣り合う2組のイオンビーム入
出射路の4本の電極の内のイオン軌道を挟まずに隣り合
う2つの電極を滑らかに接続する形状の電極とする。そ
して、イオンビームの軌道が為す面の両側に位置する電
極の構造はそれぞれ、イオンビーム軌道に沿った形状の
電極とする。分岐部分の電極は、イオンビーム入出射路
の電極と一体として形成しても良いし、多数の電極の組
み合わせとして形成しても良い。The electrode structure for providing the ion incident path and the ion exit path has a high frequency voltage of the same phase of the quadrupole electrode on the surface formed by the ion beam trajectory when the cross section perpendicular to the ion beam trajectory is seen. The two electrodes to be applied are positioned so that the trajectory of the ion beam is sandwiched by the two electrodes from above and below to form a quadrupole structure. Then, at the branched portion, at least three linear quadrupole electrode structures intersect. The electrode structure is such that, first, the structure of the electrodes located on the surface formed by the ion beam trajectories is such that two of the four electrodes of the two adjacent ion beam entrance / exit paths are adjacent to each other without interposing the ion trajectories. The electrode has a shape that smoothly connects two electrodes. The structure of the electrodes located on both sides of the surface formed by the trajectory of the ion beam is an electrode having a shape along the trajectory of the ion beam. The electrode at the branched portion may be formed integrally with the electrode of the ion beam entrance / exit path, or may be formed as a combination of a large number of electrodes.
【0062】以上のイオンビーム軌道面に平行な三層構
造を持つ電極構造の、両側の電極と、それらの挟まれた
電極との間に高周波電圧を印加すると、イオン軌道部分
に四重極高周波電場が作られ、軌道に沿ってイオンを集
束する作用が生じる。When a high frequency voltage is applied between the electrodes on both sides of the electrode structure having a three-layer structure parallel to the ion beam orbital plane and the electrodes sandwiched between them, a quadrupole high frequency wave is applied to the ion orbital portion. An electric field is created that causes the ions to focus along the orbit.
【0063】イオンビームを分岐する場合、複数のイオ
ンビーム出射路のうちの1つ任意に選択する機能が必要
である。その機能は、分岐部分に直流電圧、もしくはパ
ルス電圧を印加し、イオンビームの進行方向にほぼ垂直
でイオン軌道面に平行な方向の力を印加し、イオンビー
ム出射路のうちの1つに導き入れるようにして実現す
る。そのためにイオンビーム軌道を含む平面上に位置す
る電極の分岐部分を2カ所で分断し、この部分を直流的
に絶縁する。そしてこの部分に直流電圧を重畳して印加
することにより、イオンビーム出射路選択を実現する。When the ion beam is branched, it is necessary to have a function of arbitrarily selecting one of a plurality of ion beam emission paths. Its function is to apply a DC voltage or pulse voltage to the branching part, apply a force in a direction almost perpendicular to the ion beam traveling direction and parallel to the ion trajectory plane, and guide it to one of the ion beam exit paths. It is realized by putting it in. Therefore, the branched portion of the electrode located on the plane including the ion beam orbit is divided at two places, and this portion is galvanically insulated. By superimposing and applying a DC voltage on this portion, ion beam emission path selection is realized.
【0064】複数のイオンビーム路を一つのビーム路に
合流させる場合は、複数のビーム入射路に対し、イオン
ビーム出射路の偏向方向が90度以内であれば、イオン
ビームの持つ慣性により自発的にイオンビーム出射路に
向かうことになるので、直流電圧またはパルス電圧を印
加する機能は必要としない。When a plurality of ion beam paths are merged into one beam path, if the deflection direction of the ion beam exit path is within 90 degrees with respect to the plurality of beam entrance paths, the inertia of the ion beam spontaneously occurs. Since it goes to the ion beam exit path, the function of applying a DC voltage or a pulse voltage is not required.
【0065】以上のイオンビーム分岐路を実現する方法
の一つをしめす。まず、平板状金属板から、イオンビー
ムの軌道路を抜き去る。軌道路の幅は金属板の厚さの約
2倍程度とする。そしてこの電極板を、上下から2枚の
別の金属板で三者が等距離になるように、そして上下の
金属板の間隔が約軌道路の幅となるようにして、平行に
設置する。各金属板の間に、平板状の絶縁物を挟んだ、
5層構造とすることが望ましい。以上の電極構造の、イ
オンビーム軌道路をもつ電極板と2枚の上下の電極板と
の間に高周波を印加すれば、イオンビーム軌道路上に四
重極成分が主成分である高周波電場が印加される。この
電極構造は、高周波電場による荷電粒子の捕捉を行った
シュトラウベルによる電極配置に似る(H.Straubel:Die
Naturwissenschaften誌 18巻, 506ページ, 1955年発
刊)。ただし、この実験では、荷電粒子を円形の穴の中
に捕捉するか、若しくは長穴の中に荷電粒子を並べて捕
捉するのにとどまり、分岐の実施、そしてイオンビーム
の蓄積、分岐までには至っていない。One of the methods for realizing the above ion beam branch path will be described. First, the trajectory of the ion beam is removed from the flat metal plate. The width of the raceway is about twice the thickness of the metal plate. Then, the electrode plates are installed in parallel so that the two metal plates from the upper and lower sides are equidistant to each other and the distance between the upper and lower metal plates is about the width of the orbit. A flat plate-shaped insulator was sandwiched between each metal plate,
It is desirable to have a five-layer structure. If a high frequency is applied between the electrode plate having the ion beam orbital path and the two upper and lower electrode plates having the above electrode structure, a high frequency electric field having a quadrupole component as a main component is applied on the ion beam orbital path. To be done. This electrode structure resembles the electrode arrangement by Strabel, which captured charged particles by a high-frequency electric field (H. Straubel: Die
Naturwissenschaften, Vol. 18, 506 pages, published 1955). However, in this experiment, it was limited to trapping charged particles in circular holes or arranging charged particles side by side in elongated holes. Not in.
【0066】ただし、以上の3層の電極群からなる単純
な電極構造のみでは、イオンビーム軌道上に作られる高
周波電場の四重極性が不完全である。そこで、イオンビ
ーム軌道路に面する部分の電極を四重極構造に近づけて
加工することにより四重極性を高めることが有効とな
る。However, the quadrupolarity of the high-frequency electric field formed on the ion beam orbit is incomplete with only a simple electrode structure consisting of the above-mentioned three-layer electrode group. Therefore, it is effective to increase the quadrupolarity by processing the part of the electrode facing the ion beam orbital path close to the quadrupole structure.
【0067】また、電極群を金属平板から構成した場
合、イオンビーム軌道に大きく影響を与えないイオンビ
ーム軌道から離れた部分の電極は不要な静電容量として
働く。これは高周波電源に不要な負担をかけるので、除
去してしまうことが有効となる。Further, when the electrode group is made of a metal flat plate, the electrodes apart from the ion beam orbit, which do not greatly affect the ion beam orbit, act as unnecessary capacitance. This puts an unnecessary burden on the high-frequency power supply, so it is effective to remove it.
【0068】以上のイオンビーム分岐路を四重極イオン
蓄積リングの周上の一部分に作ることにより、数キロ電
子ボルト以下のイオンビームの自在な注入、蓄積、加
速、減速、出射が可能となる。さらに、これらの機能に
加え、イオン源、質量分析手段、分子線との反応を起こ
させるための手段、レーザ光線と相互作用させ、分光学
的操作を行うための手段等を設けることにより、広範な
イオン操作が可能となる。そこで、以下では、これらの
イオン操作手段の特長を生かした産業応用分野と、それ
を実現するための必要な以上に列挙した手段の組み合わ
せ方法、操作方法を開示する。By forming the above ion beam branching path in a part of the circumference of the quadrupole ion storage ring, it is possible to freely inject, store, accelerate, decelerate, and extract an ion beam of several kiloelectron volts or less. . Further, in addition to these functions, by providing an ion source, a mass spectrometric means, a means for causing a reaction with a molecular beam, a means for interacting with a laser beam to perform a spectroscopic operation, etc. Ion operation becomes possible. Therefore, in the following, an industrial application field that makes use of the features of these ion operating means, and a combination method and operating method of the above-mentioned necessary means for realizing the industrial application field will be disclosed.
【0069】本発明の応用の1つは新物質の合成手段で
ある。真空中に捕捉されたイオンは、真空中の残留分子
ガスと衝突し、化学変化を起こす反応、すなわち、イオ
ン−分子反応を起こすことが知られている。しかも、気
体中、溶液中では不安定である物質も、真空中にイオン
が捕捉されているため、長時間、安定に捕捉しておくこ
とが出来る。この特長を生かして、溶媒中、ガス中では
合成できない不安定物質を蓄積リングの中で生成するこ
とが可能となる。すなわち、原料となる物質の一つをイ
オンとして蓄積リングに蓄積し、このイオンを分子ガ
ス、光、電子線等と相互作用させて目的とする物質を生
成する。分子ガスは、蓄積リングを置く雰囲気を希薄分
子ガスとして、分子−イオン反応を容易に起こさせるこ
ともできる。また、蓄積リングに蓄積されたイオンビー
ムをイオンビーム軌道上に入射した分子線と相互作用さ
せて、イオン−分子反応を起こさせる。とくに、イオン
ビームと分子線の相対運動エネルギーを変数とすること
により、同じイオン、分子種でも異なった反応を起こさ
せ、異なった構造を持つイオンを生成することが出来る
であろう。One of the applications of the present invention is a means for synthesizing new substances. It is known that the ions trapped in the vacuum collide with the residual molecular gas in the vacuum and cause a chemical change, that is, an ion-molecule reaction. Moreover, even a substance that is unstable in a gas or a solution can be stably captured for a long time because the ions are captured in a vacuum. Taking advantage of this feature, it becomes possible to generate unstable substances in the storage ring that cannot be synthesized in a solvent or gas. That is, one of the raw material substances is accumulated as ions in the storage ring, and the ions are allowed to interact with the molecular gas, light, electron beam, etc. to generate the target substance. The molecular gas can also easily cause a molecule-ion reaction by using a dilute molecular gas as the atmosphere in which the storage ring is placed. Further, the ion beam accumulated in the accumulation ring interacts with the molecular beam incident on the ion beam orbit to cause an ion-molecule reaction. In particular, by using the relative kinetic energy of the ion beam and the molecular beam as a variable, it is possible to cause different reactions even for the same ion or molecular species to generate ions with different structures.
【0070】電子線、レーザ光束と反応させる場合は、
それぞれを、イオン軌道上に入射すればよい。When reacting with an electron beam or a laser beam,
Each may be incident on the ion orbit.
【0071】イオン蓄積リング内部でイオン−分子反応
により新物質を生成する方法を実施するのに必要な、そ
の装置構成と操作方法を示す。真空槽内部に、反応の親
となるイオンを発生するイオン源と、イオン入射手段出
射手段、質量分析手段を備えたイオン蓄積リングと、ま
た作りたい物質に応じた分子種の、分子線発生装置、も
しくは分子ガス導入装置のうちの1つ若しくは複数を設
置する。このうち、質量分析手段としては従来より広く
用いられているQマスフィルタ−の原理を用いる。Qマ
スフィルターは四重極イオン蓄積リングと同じ四重極構
造からなり、適当な振幅の高周波四重極電圧に加え、適
当な電圧値の直流四重極電圧を重畳して印加することに
より、特定の質量電荷比のイオンのみを通過させる動
作、すなわち質量分析動作をする。そこで、蓄積リング
の一部分をQマスフィルタ動作をさせることが容易であ
る。The apparatus configuration and the operating method required for carrying out the method for producing a new substance by the ion-molecule reaction inside the ion storage ring will be shown. Inside the vacuum chamber, an ion source for generating ions that will be the parent of the reaction, an ion storage ring equipped with an ion injection means, an emission means, and a mass spectrometric means, and a molecular beam generator for molecular species according to the substance to be made Alternatively, one or more of the molecular gas introduction devices are installed. Among these, the principle of the Q mass filter, which has been widely used in the past, is used as the mass spectrometric means. The Q-mass filter has the same quadrupole structure as the quadrupole ion storage ring. By applying a DC quadrupole voltage of an appropriate voltage value in addition to a high frequency quadrupole voltage of an appropriate amplitude, An operation of passing only ions having a specific mass-to-charge ratio, that is, a mass analysis operation is performed. Therefore, it is easy to cause a part of the storage ring to operate as a Q mass filter.
【0072】つづいて、以上の装置を用いて、新物質を
合成する手続きを示す。親イオンをイオン源で発生させ
る。そしてこのイオンを加速して、イオン入射手段から
イオン蓄積リングに導き入れる。このとき、蓄積された
イオンには目的とする親イオン以外の不純物イオンが含
まれていることが普通である。そこで、Qマスフィルタ
ーとして動作させる蓄積リングの一部分を親イオンの電
荷質量比を持つイオンのみを安定に通過させる条件に設
定して、不要イオンを蓄積リングから排斥し、親イオン
の純度を高める。その後に、分子線若しくは分子ガス雰
囲気と相互作用させ、新物質を生成する。生成後、質量
分析部分を目的イオンだけ通過させるように設定し、質
量分析し、目的とする物質の純度を高める。そして蓄積
リングのイオン出射手段から取り出し、基板上に蓄積さ
せて回収する。もしくは、次のイオンプロセスに導いて
利用する。とくに、イオンビームプロセスとしての利用
を想定した場合を以下にしめす。Next, a procedure for synthesizing a new substance using the above apparatus will be shown. Parent ions are generated by the ion source. Then, the ions are accelerated and introduced into the ion storage ring from the ion injection means. At this time, the accumulated ions usually contain impurity ions other than the desired parent ion. Therefore, a part of the storage ring that operates as the Q mass filter is set under the condition that only the ions having the charge-mass ratio of the parent ions are allowed to pass stably, so that unnecessary ions are excluded from the storage ring and the purity of the parent ions is increased. After that, a new substance is generated by interacting with a molecular beam or a molecular gas atmosphere. After generation, the mass spectrometric portion is set to pass only the target ions, and mass spectrometry is performed to enhance the purity of the target substance. Then, it is taken out from the ion emitting means of the storage ring, accumulated on the substrate and collected. Alternatively, it is used by guiding it to the next ion process. In particular, the following is the case of assuming the use as an ion beam process.
【0073】以上の発明で生成した物質のイオンビーム
を、より高いエネルギーのイオンビームに加速する従来
型の加速器に導くことにより、新物質イオンの高エネル
ギーイオンビームとしての利用が可能となる。従来型加
速器としては、RFQ加速器は電極構造が四重極である
ので、接続が容易である。高エネルギーイオンビーム利
用の分野は、おもに原子分子の性質を探る学術応用が想
定される。By guiding the ion beam of the substance produced by the above invention to a conventional accelerator for accelerating the ion beam of higher energy, new substance ions can be used as a high energy ion beam. As a conventional accelerator, the RFQ accelerator has a quadrupole electrode structure, so that connection is easy. In the field of high-energy ion beam application, academic applications that mainly explore the properties of atomic molecules are envisioned.
【0074】一方、数キロ電子ボルト以下のイオンビー
ムは産業利用として特に有用と考えられる。その従来よ
り指摘されている応用分野例の一つは、物体へイオンを
入射して、その物性を制御することである。これに加
え、本発明で生成したイオンビームの新たな応用を提供
する。On the other hand, an ion beam of several kilo-electron volts or less is considered to be particularly useful for industrial use. One of the application fields that have been pointed out in the past is to control the physical properties of ions by injecting them into an object. In addition to this, a new application of the ion beam produced by the present invention is provided.
【0075】第一に、本発明で作りだした特殊な性質を
持つイオンを物質表面に照射し、物質表面の性質を制御
することである。とくに、結合性の強いイオン、例え
ば、-CH3,-COOH,-CH2等の結合腕の1つが解放であるよ
うな官能基の分子イオンを物質表面に照射して、特定の
部位に高い効率でイオンを位置制御して修飾することが
考えられる。修飾物質としてのイオンを適当に選んだ
り、もしくは、一旦修飾した分子を化学処理により、目
的とする分子に変化させることにより、たとえば、半導
体プロセスで多用されるエッチング処理での微少なマス
クとして用いることが可能となる。また同様の方法によ
り、触媒となる分子を表面上の特定部位に位置制御して
修飾して、触媒機能を持たせることが可能となる。The first is to irradiate the surface of the material with ions having the special property created by the present invention to control the property of the surface of the material. In particular, the surface of a substance is irradiated with a highly binding ion, for example, a molecular ion having a functional group such that one of the bonding arms of -CH3, -COOH, -CH2, etc. is released, and the specific site is highly efficiently treated. It is possible to control the position of the ion to modify it. Using ions as modifiers appropriately, or changing the molecules once modified into the target molecules by chemical treatment, for example, to use as a minute mask in the etching treatment often used in semiconductor processes. Is possible. Further, by the same method, it becomes possible to control the position of a molecule serving as a catalyst at a specific site on the surface and modify it to give a catalytic function.
【0076】第二に、本発明で作り出したイオンを物体
内部に入射して、物質の性質を変化させることが出来
る。この方法は、半導体プロセス等における物性制御に
限らない。特にこの手法を生体に応用した場合、特定細
胞、組織に特殊な分子を導入することにより、細胞、組
織の生理状態を変化させることが出来るであろう。例え
ば、ガン細胞等に直接、反応性の高い分子を注入し、死
滅させることも可能となる。Second, the properties of the substance can be changed by injecting the ions produced by the present invention into the inside of the object. This method is not limited to physical property control in semiconductor processes and the like. In particular, when this method is applied to a living body, it will be possible to change the physiological state of cells or tissues by introducing special molecules into specific cells or tissues. For example, a highly reactive molecule can be directly injected into a cancer cell or the like to kill it.
【0077】[0077]
(実施例1)本発明の直流電圧により遠心力を補償し、
ビームの安定化を図る実施例としてMgイオンビームを
蓄積する例を図5に示す。(Example 1) The centrifugal force is compensated by the DC voltage of the present invention,
An example of accumulating the Mg ion beam is shown in FIG. 5 as an embodiment for stabilizing the beam.
【0078】 24Mgイオン:質量 m=24GeV/c2 図5に示す実施例では、リング電極2分の1だけを図示
しているが、四重極リング電極11乃至14と高周波回
路系41乃至48および直流電圧印加系25および49
乃至52からなる。電極構造を与える2つのパラメータ
Rおよびr0は以下の値である。24 Mg ion: mass m = 24 GeV / c 2 In the embodiment shown in FIG. 5, only one half of the ring electrode is shown, but the quadrupole ring electrodes 11 to 14 and the high frequency circuit systems 41 to 48 and DC voltage application system 25 and 49
Through 52. The two parameters R and r0 giving the electrode structure have the following values:
【0079】電極パラメータ:電極半径 R=60mm
四重極電極間距離 r0=3mm以上の電極構造を低入
力電力で大きな振幅の高周波電圧を印加するために、電
極にコイル42を接続しコンデンサ45ないし48とで
LC共振回路を構成する。共振状態で使うコイルとして
良好な高周波特性を得るために透磁率の小さい高周波用
トロイダルコア43(透磁率=10)を用い、これに導
線を40回巻いたものを用いれば、LC回路の共振周波
数Ωは数MHzとなる。この巻き線とは別にトロイダル
コアに導線を一回巻きつけると、このコイル44が1次
コイル、コイル42が2次コイルとなり、昇圧トランス
となる。この1次コイルにLC共振周波数に一致した高
周波電力を高周波電源装置41から入力することにより
高振幅高周波電場をつくることができる。この周波数に
おいてパラメータqを0.5に取るためには、Vrf=2
12Vが必要である。以上より各種強収束のパラメータ
が計算される。Electrode parameter: Electrode radius R = 60 mm
In order to apply a high-frequency voltage having a low amplitude and a large amplitude to an electrode structure having a quadrupole electrode distance r0 = 3 mm or more, a coil 42 is connected to the electrodes and an LC resonance circuit is formed with capacitors 45 to 48. As a coil used in a resonance state, a high frequency toroidal core 43 (permeability = 10) having a low magnetic permeability is used to obtain good high frequency characteristics, and if a coil is wound 40 times around it, the resonance frequency of the LC circuit is increased. Ω becomes several MHz. When the conductor wire is wound once around the toroidal core separately from this winding wire, the coil 44 becomes the primary coil and the coil 42 becomes the secondary coil, thus forming a step-up transformer. A high-amplitude high-frequency electric field can be created by inputting high-frequency power matching the LC resonance frequency from the high-frequency power supply device 41 to the primary coil. To take the parameter q at 0.5 at this frequency, Vrf = 2
12V is required. From the above, various parameters of strong convergence are calculated.
【0080】 安定パラメータ : q=0.5 高周波 : Vrf=212V、Ω/2π=3MHz 入力高周波電力 : 1W(実測値) 擬ポテンシャルの深さ : D=13.3V 永年運動周波数 : ω0=530kHz である。Stability parameter: q = 0.5 High frequency: Vrf = 212V, Ω / 2π = 3MHz Input high frequency power: 1W (measured value) Pseudopotential depth: D = 13.3V Secular motion frequency: At ω0 = 530kHz is there.
【0081】遠心力を補償する直流電圧を印加するため
の回路は以下のように実施する。すなわち共振状態にあ
る蓄積リング電極は共鳴周波数において高インピーダン
スになっている。実際に共鳴周波数におけるインピーダ
ンスは100kΩ程度となる。そこで直流電圧を印加す
るには、接地に対し十分高いインピーダンスをもつ結線
手段で結線する必要があり、本実施例では実施の容易さ
から高インピーダンスの抵抗器49乃至52を挿入し
た。そして、電極間の直流電圧の導通を避けるためコン
デンサ45乃至48を挿入した。このコンデンサは共振
回路のためのコンデンサでもある。A circuit for applying a DC voltage for compensating for centrifugal force is implemented as follows. That is, the storage ring electrode in the resonance state has a high impedance at the resonance frequency. Actually, the impedance at the resonance frequency is about 100 kΩ. Therefore, in order to apply a DC voltage, it is necessary to connect by a connecting means having a sufficiently high impedance with respect to the ground, and in this embodiment, high impedance resistors 49 to 52 were inserted for ease of implementation. Then, capacitors 45 to 48 were inserted in order to avoid conduction of DC voltage between the electrodes. This capacitor is also the capacitor for the resonant circuit.
【0082】以上のパラメータを持ったイオン蓄積リン
グにイオンビームを蓄積し、遠心力を補償しない時は、
蓄積可能なイオンビームのエネルギーは(数17)よ
り、以下のように計算される。When the ion beam is stored in the ion storage ring having the above parameters and the centrifugal force is not compensated,
The energy of the storable ion beam is calculated from (Equation 17) as follows.
【0083】 最大蓄積可能エネルギー : Es(max)=133eV 最大標準角周波数 : ωs(max)/2π=83.8kHz そして、横振動のエネルギーKは(数8)で、rs=r0
と置いた値となるので 横振動のエネルギー : K=D=13.3eV である。Maximum storable energy: Es (max) = 133 eV Maximum standard angular frequency: ωs (max) /2π=83.8 kHz Then, the energy K of lateral vibration is (Equation 8), and rs = r0
Therefore, the lateral vibration energy is K = D = 13.3 eV.
【0084】一方直流電圧で遠心力を補償すると、(数
18)より、最大蓄積可能エネルギーは以下のように計
算される。On the other hand, when the centrifugal force is compensated by the DC voltage, the maximum storable energy is calculated from (Equation 18) as follows.
【0085】 直流電圧値:Vcomp=260V 最大蓄積可能エネルギー : Es(max)=5.3keV 最大標準角周波数 : ωs(max)/2π=ω/2π=530kHz である。DC voltage value: Vcomp = 260V Maximum storable energy: Es (max) = 5.3 keV Maximum standard angular frequency: ωs (max) / 2π = ω / 2π = 530 kHz.
【0086】このように、直流電圧で遠心力を補償する
ことにより、蓄積可能な最大エネルギーを大幅に増大す
ることができる。As described above, by compensating the centrifugal force with the DC voltage, the maximum energy that can be stored can be greatly increased.
【0087】(実施例2)実施例2では加速空洞によっ
て加速機構を実現したイオン蓄積リングの実施例を図6
に示す。(Embodiment 2) In Embodiment 2, an embodiment of an ion storage ring in which an acceleration mechanism is realized by an acceleration cavity is shown in FIG.
Shown in
【0088】図6に示した本実施例では円形リング電極
を円弧形状の2つの部分61、62および65、66に
分割し、その分割部分の片側に先に図4に示した構造を
持つ加速手段69乃至72、一方の分割部分にこの加速
手段と同じ長さを持つ線形四重極電極73、74を挿入
している。そして、円弧形状電極と線形四重極電極部分
はコンデンサ77及び78を用いて直流的に絶縁してお
く。電極の構造と大きさは実施例1のリング電極を2分
割したものとする。さらに駆動高周波の振幅及び周波数
は実施例1と同じとする。このとき加速空洞電極の長さ
bは(数14)におけるパラメータnを0、パラメータ
hを10とすると、21mmとなる。In the present embodiment shown in FIG. 6, the circular ring electrode is divided into two arc-shaped portions 61, 62 and 65, 66, and the acceleration having the structure shown in FIG. 4 on one side of the divided portions. Means 69 to 72, linear quadrupole electrodes 73 and 74 having the same length as this accelerating means are inserted in one of the divided portions. The arcuate electrode and the linear quadrupole electrode portion are galvanically isolated by using capacitors 77 and 78. The structure and size of the electrodes are obtained by dividing the ring electrode of Example 1 into two. Further, the amplitude and frequency of the driving high frequency are the same as those in the first embodiment. At this time, the length b of the accelerating cavity electrode is 21 mm when the parameter n and the parameter h in (Equation 14) are 0 and 10, respectively.
【0089】以上の電極構造を駆動する電気回路を図6
に併記した。まず、2つの円弧型四重極電極と線形四重
極電極には同位相の高周波を印加し、強集束作用をもた
せる。そのとき、実施例1と同様に四重極電極にトラン
ス79を結合し、LC共振させて高周波振幅を増幅す
る。高周波電力は高周波電源80により発生する。高周
波四重極電極の対角位置にある2組の電極への高周波の
印加方法は同振幅逆位相とし、電極中心部分の高周波電
位を接地電位とする。そのためのトランス79の2次側
コイルの中心を接地する。さらに2つの円弧四重極電極
部分にはイオンビーム軌道を四重極中心に固定するため
の遠心力を補償する直流電圧印加手段81乃至84を設
ける。内側電極に接地に対し負電圧、外側電極には接地
に対し正電圧を印加し、電極中央部で直流電位が接地と
なるように2つの電源を接続する。さらにトランス79
を介した直流的導通を避けるためにコンデンサー85お
よび86を挿入する。そして加速空洞電極には周波数掃
引可能な交流電源72を接続する。An electric circuit for driving the above electrode structure is shown in FIG.
It was also described in. First, high-frequency waves having the same phase are applied to the two arc-shaped quadrupole electrodes and the linear quadrupole electrodes to have a strong focusing action. At that time, as in the first embodiment, the transformer 79 is coupled to the quadrupole electrode and LC resonance is performed to amplify the high frequency amplitude. The high frequency power is generated by the high frequency power supply 80. The method of applying the high frequency to the two pairs of electrodes at the diagonal positions of the high frequency quadrupole electrode is the same amplitude and the opposite phase, and the high frequency potential at the center of the electrode is the ground potential. Therefore, the center of the secondary coil of the transformer 79 is grounded. Further, DC voltage applying means 81 to 84 for compensating the centrifugal force for fixing the ion beam orbit at the center of the quadrupole are provided on the two arc quadrupole electrode portions. A negative voltage with respect to ground is applied to the inner electrode, and a positive voltage with respect to ground is applied to the outer electrode, and two power sources are connected so that the DC potential is grounded at the center of the electrode. Further transformer 79
Capacitors 85 and 86 are inserted to avoid direct current conduction through. An AC power source 72 capable of frequency sweep is connected to the acceleration cavity electrode.
【0090】この実施例の場合の蓄積可能最大イオンビ
ームエネルギーは実施例1と一致し、Es(max)=5.3
keVであるので、加速空洞電極に印加する最大交流電
圧振動数は(数15)よりfacc(max)=4.7MHzと
なる。The maximum storable ion beam energy in the case of this embodiment is the same as that of the first embodiment, and Es (max) = 5.3.
Since it is keV, the maximum AC voltage frequency applied to the accelerating cavity electrode is facc (max) = 4.7 MHz from (Equation 15).
【0091】(実施例3)図7は、電極を複数に分断
し、分割された部分に加速電圧を印加する実施例であ
る。(Embodiment 3) FIG. 7 is an embodiment in which an electrode is divided into a plurality of parts and an acceleration voltage is applied to the divided parts.
【0092】分割されたリング電極の2つの部分の間に
コイル102、及び103を接続する。このコイルはト
ランス104の2次側コイルである。1次側コイル10
5から加速交流電圧を印加する。そして強収束用高周波
電場が分割された2つの部分に同じ条件で印加させるよ
うに、高周波電場は2つの2次側コイル102及び10
3の中心に対し印加する。Coils 102 and 103 are connected between the two parts of the divided ring electrode. This coil is the secondary coil of the transformer 104. Primary coil 10
The acceleration AC voltage is applied from 5. Then, the high-frequency electric field is applied to the two secondary coils 102 and 10 so that the strong-converging high-frequency electric field is applied to the divided two parts under the same conditions.
It is applied to the center of 3.
【0093】99及び100は遠心力を補償するための
直流電圧印加回路である。加速交流電圧を発生する交流
電源106の周波数によりイオンの回転速度がきまる。
よって(数9)から直流電圧の値が計算されるので、そ
の電圧を印加する。99 and 100 are DC voltage application circuits for compensating for centrifugal force. The rotation speed of the ions is determined by the frequency of the AC power supply 106 that generates the acceleration AC voltage.
Therefore, since the value of the DC voltage is calculated from (Equation 9), that voltage is applied.
【0094】(実施例4)本実施例は1つのイオンビー
ム経路を2つのビーム経路に任意に分岐する方法と2つ
のイオンビーム経路を1つのビーム経路に合流させる方
法に関する。その電極構造を図8から図10に示した。
図8は電極構造の見取り図、図9はイオンビーム分岐路
としての実施例、図10はイオンビーム合流路としての
実施例である。以下では、正電荷を持つイオンビームを
分岐する場合を考える。負電荷を持つイオンビームを分
岐する場合は、直流電源の極性を変換するだけである。(Embodiment 4) This embodiment relates to a method for arbitrarily branching one ion beam path into two beam paths and a method for merging two ion beam paths into one beam path. The electrode structure is shown in FIGS. 8 to 10.
FIG. 8 is a sketch of the electrode structure, FIG. 9 is an embodiment as an ion beam branch path, and FIG. 10 is an embodiment as an ion beam merging path. Below, the case where an ion beam having a positive charge is branched will be considered. When branching an ion beam having a negative charge, the polarity of the DC power supply is simply changed.
【0095】はじめにイオン分岐路の実施例から説明す
る。First, an example of the ion branch path will be described.
【0096】イオンの通過路を153〜158の様に形
成し、このイオン通過路を図8のように、上下から2つ
の電極151、152で挟む。イオン軌道に面する部分
は、通過路内部に出来るだけ理想的な四重極電場が形成
されるように図8のような四重極構造に近い電極構造と
することが望ましい。これらの電極構造に、高周波電源
159を用いて、上下の電極151、152と挟まれた
電極153から157との間にイオンビームを集束する
条件を満たす高周波電圧を印加する。その条件は実施例
1から3に示したイオン蓄積リングの場合と同様であ
る。そして、電極164には直流電圧を印加する。それ
は、実施例1に示したように、イオンビームの軌道を電
極軸の中央に位置させるためである。その電圧値は、実
施例1に示した通りである。Ion passages are formed as 153 to 158, and this ion passage is sandwiched by two electrodes 151 and 152 from above and below as shown in FIG. It is desirable that the portion facing the ion orbit has an electrode structure close to the quadrupole structure as shown in FIG. 8 so that an ideal quadrupole electric field is formed inside the passage. A high frequency power supply 159 is used to apply a high frequency voltage to these electrode structures between the upper and lower electrodes 151 and 152 and the sandwiched electrodes 153 to 157 so that the ion beam is focused. The conditions are the same as in the case of the ion storage ring shown in Examples 1 to 3. Then, a DC voltage is applied to the electrode 164. This is because the trajectory of the ion beam is located at the center of the electrode axis, as shown in the first embodiment. The voltage value is as shown in the first embodiment.
【0097】電極157は直流的に絶縁されている。こ
こには直流電圧を印加するための直流電源161を接続
する。このとき、電源と電極は必要に応じて高インピー
ダンスの結線手段160を介して結線する。The electrode 157 is galvanically isolated. A DC power supply 161 for applying a DC voltage is connected here. At this time, the power source and the electrodes are connected via the high-impedance connecting means 160 as necessary.
【0098】イオンビームの分岐路の選択は、電極15
7に電源161により発生させた直流電圧を重畳するこ
とにより行う。実線でしめした直進方向の分岐路へイオ
ンビームを導く場合は0〜負の電圧を印加することによ
り、慣性でイオンビームを直進分岐路に導くか、もしく
はイオンビームを電極157側で引きつける。破線で示
した分岐路へイオンビームを導く場合は正の電圧を印加
することによりイオンビームを電極157側と反対側へ
反発させ、破線で示した分岐路へ導く。The selection of the branch path of the ion beam is carried out by the electrode 15
7 by superimposing the DC voltage generated by the power supply 161. When the ion beam is guided to the straight branch path indicated by the solid line, by applying 0 to a negative voltage, the ion beam is guided to the straight branch path by inertia or the ion beam is attracted to the electrode 157 side. When the ion beam is guided to the branch path indicated by the broken line, a positive voltage is applied to repel the ion beam to the side opposite to the electrode 157 side, and the ion beam is guided to the branch path indicated by the broken line.
【0099】一方、図10は、イオンビームを合流させ
るイオンビーム路の実施例である。On the other hand, FIG. 10 shows an embodiment of the ion beam path for joining the ion beams.
【0100】イオンビームを合流させる場合は、直流電
源および電極166を分断することは必要としない。な
ぜなら、イオンビームの持つ慣性によりイオンビームの
軌跡は一意的に決定されるからである。When the ion beams are combined, it is not necessary to divide the DC power source and the electrode 166. This is because the trajectory of the ion beam is uniquely determined by the inertia of the ion beam.
【0101】(実施例5)本実施例は、イオン蓄積リン
グをイオン−分子反応装置として用いる実施例である。
装置はイオン源171、イオン入射路、イオン出射路と
して用いる2つの分岐を備え、さらにQマスフィルタ機
能172、173を備えたイオン蓄積リング、分子線発
生装置174からなる。(Embodiment 5) In this embodiment, an ion storage ring is used as an ion-molecule reactor.
The apparatus comprises an ion source 171, two branches used as an ion entrance path and an ion exit path, and an ion storage ring having Q mass filter functions 172 and 173, and a molecular beam generator 174.
【0102】本実施例を示す図11では、イオン蓄積リ
ングをイオンビームの軌道面での断面を見ている。本実
施例のイオン蓄積リングは、1つのイオン入射路と1つ
イオン出射路を備えている。両者はそれぞれ、実施例4
に示したイオンビームを合成される場合とイオンビーム
を分岐する場合に対応する。そこで、イオン出射路に
は、イオンビームの軌道を制御するための直流電圧を印
加する機構175、176を有する。イオン蓄積リング
の曲率を持つ部分には、イオンビーム軌道を電極軸に一
致させるための直流電圧を重畳して印加する。In FIG. 11 showing the present embodiment, the cross section of the ion storage ring is taken along the orbital plane of the ion beam. The ion storage ring of this embodiment has one ion entrance path and one ion exit path. Both are the same as those in the fourth embodiment.
It corresponds to the case where the ion beam shown in 1 is combined and the case where the ion beam is branched. Therefore, the ion emission path has mechanisms 175 and 176 for applying a DC voltage for controlling the trajectory of the ion beam. A direct current voltage for causing the ion beam trajectory to coincide with the electrode axis is superimposed and applied to the curved portion of the ion storage ring.
【0103】さらに、本実施例のイオン蓄積リングはQ
マスフィルタと同じ原理の質量分析機能を備えている。
質量分析部分172の高周波電圧、直流電圧値は任意に
印加することが出来るようにする。可変電圧電源173
は質量分析のための直流電源を示している。Further, the ion storage ring of this embodiment has a Q
It has the same mass spectrometric function as the mass filter.
The high frequency voltage and the DC voltage value of the mass spectrometric section 172 can be arbitrarily applied. Variable voltage power supply 173
Indicates a DC power supply for mass spectrometry.
【0104】イオン源は、イオン−分子反応における親
となるイオンを生成する装置である。ここで発生させた
イオンを加速してイオン蓄積リングに注入できる機能を
持つ。分子線源174は、イオン−分子反応に於ける親
分子を生成する装置である。分子線を発生し、その出止
を制御する機能を持つ。The ion source is a device that produces the parent ion in the ion-molecule reaction. It has the function of accelerating the ions generated here and injecting them into the ion storage ring. The molecular beam source 174 is a device that produces a parent molecule in an ion-molecule reaction. It has the function of generating molecular beams and controlling their stopping.
【0105】続いて、以上のイオン−分子反応装置の操
作方法を示す。以下の操作方法は正イオンの場合であ
る。負イオンの場合もイオン出射電圧の極性を反転させ
るだけで簡単に応用することが出来る。Next, a method for operating the above ion-molecule reaction apparatus will be described. The following operating method is for positive ions. In the case of negative ions, it can be easily applied by only reversing the polarity of the ion extraction voltage.
【0106】はじめにイオン源で発生したイオンをイオ
ン蓄積リングに蓄積する。このとき、イオン出射電源の
出力電圧は正とし、イオンビームが周回運動する様に設
定する。そして、質量分析部の直流電圧は0Vとし、イ
オンを安定に捕捉できる様にしておく。この状態で、イ
オン源で発生したイオンをリングに注入し、必要量を蓄
積する。First, the ions generated by the ion source are stored in the ion storage ring. At this time, the output voltage of the ion extraction power supply is positive and set so that the ion beam makes a circular motion. The DC voltage of the mass spectrometric section is set to 0 V so that ions can be stably captured. In this state, the ions generated by the ion source are injected into the ring to accumulate the necessary amount.
【0107】つづいて、必要に応じて親イオンの純度を
高める。すなわち、Qマスフィルター部分の動作電圧
を、親イオンのみ通過出来る値とし、他のイオンは除去
する。不要イオンの除去が終了したら、Qマスフィルタ
ー部分の動作電圧を元に戻し、安定にイオンを捕捉す
る。Subsequently, the purity of the parent ion is increased if necessary. That is, the operating voltage of the Q mass filter portion is set to a value that allows only the parent ions to pass, and other ions are removed. When the removal of unnecessary ions is completed, the operating voltage of the Q mass filter portion is returned to the original value and ions are stably captured.
【0108】つづいて、分子線をイオンビーム軌道上に
入射し、分子−イオン反応を起こさせる。十分に反応さ
せた後、分子線を停止する。Subsequently, a molecular beam is made to enter the ion beam orbit to cause a molecule-ion reaction. After sufficient reaction, the molecular beam is stopped.
【0109】つづいて、生成された目的イオンの純度を
高めるために、再度、Qマスフィルター部分を動作させ
る。その動作電圧は、目的イオンを通過させ、他の不要
イオンを除去できるように設定する。Then, in order to enhance the purity of the generated target ions, the Q mass filter section is operated again. The operating voltage is set so that target ions can pass and other unnecessary ions can be removed.
【0110】以上の手続きの後、イオン出射電源の電源
を0、若しくは負に切り替えて、イオンをイオンビーム
出射路から取り出し、利用する。After the above procedure, the power of the ion extraction power supply is switched to 0 or negative, and the ions are extracted from the ion beam extraction path and used.
【0111】利用方法は、基板上に目的物質を析出させ
て回収したり、他の加速手段に連結してより高いエネル
ギーのイオンビームとして利用したり、若しくは、他の
イオンプロセスに利用したりする。As the method of use, the target substance is deposited and recovered on the substrate, is used as an ion beam of higher energy by connecting to another accelerating means, or is used in another ion process. .
【0112】[0112]
【発明の効果】本発明によれば、1キロ電子ボルト程度
及びこれより低いレベルのイオンビームを安定に蓄積す
ること、加速減速等の操作をすることが出来る。これに
より、今までは利用できなかった、キロ電子ボルト以下
のイオンビームを用いた分光分析、イオンビームのレー
ザ冷却等が可能となる。According to the present invention, it is possible to stably accumulate an ion beam having a level of about 1 kiloelectron volt or lower and to perform operations such as acceleration and deceleration. This enables spectroscopic analysis using an ion beam of kiloelectron volts or less, laser cooling of the ion beam, etc., which have not been available until now.
【図1】高周波電場による強集束の原理を説明するため
の変数を定義した図。FIG. 1 is a diagram defining variables for explaining the principle of strong focusing by a high frequency electric field.
【図2】高周波四重極イオン蓄積リングの中で周回運動
するイオンを記述する変数の定義を記載した図。FIG. 2 is a diagram showing definitions of variables that describe ions that orbit in a high-frequency quadrupole ion storage ring.
【図3】高周波四重極イオン蓄積リングの中で周回運動
するイオンを記述する変数の定義を記載した図。FIG. 3 is a diagram showing definitions of variables that describe orbiting ions in a high-frequency quadrupole ion storage ring.
【図4】本発明の加速空洞の構造を示した図。FIG. 4 is a diagram showing a structure of an accelerating cavity of the present invention.
【図5】遠心力を補償した高周波四重極イオン蓄積リン
グの一実施例を示した図。FIG. 5 is a diagram showing an example of a high-frequency quadrupole ion storage ring that compensates for centrifugal force.
【図6】加速手段として加速空洞を備えた高周波四重極
イオン蓄積リングの一実施例を示した図。FIG. 6 is a diagram showing an embodiment of a high-frequency quadrupole ion storage ring provided with an acceleration cavity as an acceleration means.
【図7】電極を分割することによる加速機能を備えた高
周波四重極イオン蓄積リングの一実施例を示した図。FIG. 7 is a diagram showing an example of a high-frequency quadrupole ion storage ring having an acceleration function by dividing electrodes.
【図8】本発明のイオン分岐の電極構造を示した図。FIG. 8 is a view showing an electrode structure of an ion branch of the present invention.
【図9】イオン分岐に印加する分岐電圧の印加方法を示
した図。FIG. 9 is a diagram showing a method of applying a branch voltage applied to an ion branch.
【図10】イオン合流の概念を示した図。FIG. 10 is a diagram showing the concept of ion merging.
【図11】本発明のイオン分子反応装置の概念を示した
図。FIG. 11 is a view showing the concept of an ion molecule reaction device of the present invention.
11、12、13、14…四重極リング電極、15…高
周波電源、21…標準軌道を運動するイオン、25…可
変直流電源、26、27…高インピーダンス結線手段
(高抵抗)、28…標準軌道を運動するイオン、29…
標準軌道からずれて運動をするイオン、30、31…平
板電極、22…加速空洞電極、33…加速交流電源、4
1…高周波電源装置、42…2次コイル、43…トロイ
ダルトランスコア、44…1次コイル、45〜48…コ
ンデンサ、49〜52…高インピーダンス結線手段、6
1〜68…四重極リング電極、69〜72…加速空洞に
よる加速手段、73〜76…線形四重極電極、77、7
8…コンデンサ、79…トランス、80…高周波電源装
置、81〜84…直流電圧印加手段、91、92、9
3、94…分割された四重極リング電極部分1、95、
96、97、98…分割された四重極リング電極部分
2、99、100…直流電圧印加回路、101…高周波
電源、102、103…加速交流トランス2次コイル、
104…トランスコア、105加速交流トランス1次コ
イル、106…加速交流電源、150〜158…イオン
分岐を構成する電極、159…イオン集束用高周波電
源、160…高インピーダンス結線手段、161…直流
電源、162…イオン分岐制御スイッチ、171…イオ
ン源、172…Qマス質量分析部分電極、173…Qマ
ス質量分析部分駆動直流電源、174…分子線源、17
5…イオン分岐部分電極、176…イオン分岐制御電
源。11, 12, 13, 14 ... Quadrupole ring electrode, 15 ... High frequency power supply, 21 ... Standard orbit moving ions, 25 ... Variable DC power supply, 26, 27 ... High impedance connection means (high resistance), 28 ... Standard Ions moving in orbit, 29 ...
Ions moving out of the standard orbit, 30, 31 ... Flat plate electrode, 22 ... Accelerating cavity electrode, 33 ... Accelerating AC power source, 4
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... High frequency power supply device, 42 ... Secondary coil, 43 ... Toroidal transformer core, 44 ... Primary coil, 45-48 ... Capacitor, 49-52 ... High impedance connection means, 6
1 to 68 ... Quadrupole ring electrodes, 69 to 72 ... Accelerating means by an acceleration cavity, 73 to 76 ... Linear quadrupole electrodes, 77, 7
8 ... Capacitor, 79 ... Transformer, 80 ... High frequency power supply device, 81-84 ... DC voltage applying means, 91, 92, 9
3, 94 ... Divided quadrupole ring electrode portions 1, 95,
96, 97, 98 ... Divided quadrupole ring electrode portions 2, 99, 100 ... DC voltage application circuit, 101 ... High frequency power supply, 102, 103 ... Acceleration AC transformer secondary coil,
104 ... Transformer core, 105 Acceleration AC transformer primary coil, 106 ... Acceleration AC power supply, 150-158 ... Electrodes forming ion branch, 159 ... Ion focusing high-frequency power supply, 160 ... High impedance connection means, 161, ... DC power supply, 162 ... Ion branching control switch, 171 ... Ion source, 172 ... Q mass mass analysis partial electrode, 173 ... Q mass mass analysis partial drive DC power supply, 174 ... Molecular beam source, 17
5 ... Ion branching partial electrode, 176 ... Ion branching control power supply.
Claims (27)
た4つのリング電極からなる電極構造を備え、電極内に
四重極高周波電場が形成されるように高周波電圧を印加
することにより、荷電粒子を電極の内部に蓄積する高周
波四重極イオン蓄積リングにおいて、リング内を周回運
動する荷電粒子線の平均軌道を一定に保つために、リン
グ電極の内側リング電極と外側リング電極との間にイオ
ンの遠心力を打ち消すような直流電圧を高インピーダン
スの結線手段を介して重畳することを特徴とした高周波
四重極イオン蓄積リング。1. An electrode structure comprising four ring electrodes combined so as to have a quadrupole structure in cross section, and charging by applying a high frequency voltage so that a quadrupole high frequency electric field is formed in the electrode. In a high-frequency quadrupole ion storage ring that accumulates particles inside the electrode, in order to keep the average orbit of the charged particle beam that orbits in the ring constant, a ring electrode is placed between the inner ring electrode and the outer ring electrode. A high-frequency quadrupole ion storage ring, characterized in that a DC voltage that cancels the centrifugal force of ions is superposed through a high-impedance connecting means.
加速手段を備えたことを特徴とする請求項1記載の高周
波四重極イオン蓄積リング。2. In a high frequency quadrupole ion storage ring,
The high frequency quadrupole ion storage ring according to claim 1, further comprising an acceleration means.
り、そこに加速空洞による加速手段を挿入することで加
速機能を実現した請求項2記載の高周波四重極イオン蓄
積リング。3. The high-frequency quadrupole ion storage ring according to claim 2, wherein the ring electrode is cut out at one or a plurality of places, and an accelerating function by an accelerating cavity is inserted therein to realize an accelerating function.
分断し、分断間隙の一方に加速空洞による加速手段、他
方に上記加速手段とほぼ同じ長さを有する線形高周波四
重極電極を挿入した請求項2記載の高周波四重極イオン
蓄積リング。4. A ring electrode is divided into two parts on its diameter line, and an accelerating means by an accelerating cavity is inserted into one of the dividing gaps, and a linear high frequency quadrupole electrode having substantially the same length as the accelerating means is inserted into the other. The high frequency quadrupole ion storage ring according to claim 2.
電極を、円筒形電極を二枚の平板電極で挟み、三者の穴
を同軸上になるように、かつその2つの間隔を十分に狭
くしかも等間隔に配列した電極構造とし、2枚の平板電
極を接地し、円筒形電極に交流電圧を印加することを特
徴とする加速手段。5. A flat plate electrode having two holes and a cylindrical electrode are sandwiched between two flat plate electrodes so that the three holes are coaxial and the distance between the two electrodes is three. Is an electrode structure in which is sufficiently narrow and arranged at equal intervals, two flat plate electrodes are grounded, and an AC voltage is applied to the cylindrical electrode.
ネルギーに対応して遠心力を補償するために曲率を持つ
蓄積リング部分の内側電極、外側電極間に印加した直流
電圧を変化させる請求項2記載の高周波四重極イオン蓄
積リング。6. A DC voltage applied between an inner electrode and an outer electrode of a storage ring portion having a curvature for compensating a centrifugal force corresponding to ion energy when accelerating and decelerating ions. The high-frequency quadrupole ion storage ring described in 2.
重極イオン蓄積リングにおいて、高周波四重極イオン蓄
積リング電極部分のイオンビーム軌道上の電位がつねに
接地電位となるように、四極子の対角位置にある2組の
電極への印加高周波電圧を同振幅逆位相になるように印
加でき、さらに遠心力補償用直流電圧を内側電極と外側
電極とにそれぞれ別々に逆極の可変直流電圧を与えイオ
ンビーム軌道で直流電位が接地電位となるように印加で
きる電源装置で駆動することを特徴とする加速手段を備
えた高周波四重極イオン蓄積リング。7. A high-frequency quadrupole ion storage ring provided with an acceleration means according to claim 2, wherein the potential on the ion beam orbit of the electrode part of the high-frequency quadrupole ion storage ring is always at ground potential. High-frequency voltage applied to two pairs of electrodes at diagonal positions of the pole can be applied so that they have the same amplitude and opposite phase, and the DC voltage for centrifugal force compensation can be applied to the inner electrode and the outer electrode separately. A high-frequency quadrupole ion storage ring equipped with an acceleration means, which is driven by a power supply device capable of applying a direct-current voltage so that the direct-current potential becomes a ground potential in an ion beam orbit.
至複数箇所で分割し、この分割部分にイオンの周回運動
に同期して交流電圧を印加する請求項2記載の高周波四
重極イオン蓄積リング。8. The high-frequency quadrupole ion storage device according to claim 2, wherein the acceleration / deceleration means is divided into two or more parts of the ring electrode, and an alternating voltage is applied to the divided parts in synchronization with the orbital motion of the ions. ring.
請求項8または9記載の高周波四重極イオン蓄積リン
グ。9. The high frequency quadrupole ion storage ring according to claim 8 or 9, wherein an accelerating AC electric field is applied through a transformer.
沿った一部分に直流電圧を印加することにより、実効的
にイオンビーム周回時間を制御することを特長とする請
求項1記載のイオン蓄積リング。10. The ion storage ring according to claim 1, wherein a direct-current voltage is applied to a portion of the ion storage ring along the ion beam trajectory to effectively control the ion beam circulation time.
たイオンビーム入射路を、これを含む平面内の同様の集
束作用を持った2つ以上のイオンビーム出射路に分岐す
るためのイオンビーム分岐方法として、各イオンビーム
路を構成する四重極電極の内の同相高周波電圧が印加さ
れる2本の電極が、上記平面内に位置するように各四重
極電極を配置し、分岐部分で各イオンビーム入・出射路
を構成する四重極電極間を接続するために、上記平面内
に位置する電極群では、隣り合ったイオンビーム路の隣
り合う電極間をなめらかに連結する、だだし必要により
連結の途中で複数の電極部分に分割して構成した電極を
用いて接続し、また、上記平面の両側に位置する電極群
では、それぞれ、分岐部分のイオンビーム路に沿ってす
べての電極を連結する、だだし必要により連結の途中で
複数の電極部分に分割して構成した電極を用いて接続
し、上記平面内に位置する電極群と、それらを両側から
挟さむ電極群との間に高周波四重極を印加し分岐をもっ
た線形軌道を形成し、さらに、イオンビームに振り分け
力を作用させ、任意のイオンビーム出射路に振り分ける
ために、直流電圧、若しくはパルス電圧を分岐部分に印
加する電源と、電極構造をそなえたイオンビーム分岐方
法。11. An ion beam for branching an ion beam entrance path having a focusing action by a high frequency quadrupole electric field into two or more ion beam exit paths having a similar focusing action in a plane including the same. As a branching method, each quadrupole electrode is arranged so that the two electrodes to which the in-phase high-frequency voltage is applied among the quadrupole electrodes forming each ion beam path are located in the plane, and the branching portion is formed. In order to connect the quadrupole electrodes forming each ion beam entrance / exit path with each other, in the electrode group located in the above plane, the adjacent electrodes of the adjacent ion beam paths are smoothly connected. However, if necessary, the electrodes are divided into a plurality of electrode portions in the middle of the connection to be connected, and in the electrode groups located on both sides of the above-mentioned plane, all are connected along the branch ion beam path. Connect electrodes However, if necessary, a high-frequency wave can be created between the electrode group located in the above plane and the electrode group sandwiching them from both sides by connecting the electrodes by dividing them into multiple electrode parts during the connection. A quadrupole is applied to form a linear orbit with a branch, and a direct current voltage or a pulse voltage is applied to the branch part in order to apply a distribution force to the ion beam and distribute it to an arbitrary ion beam emission path. Ion beam branching method with power supply and electrode structure.
た2つ以上のイオンビーム入射路を、これらを含む平面
内ですべてのイオンビーム入射方向に対しの90度以下
の曲がり角を持つ同様の集束作用を持った1つのイオン
ビーム出射路に合流するためのイオンビーム合流方法と
して、各イオンビーム路を構成する四重極電極の内の同
相高周波電圧が印加される2本の電極が、上記平面内に
位置するように各四重極電極を配置し、分岐部分で各イ
オンビーム入・出射路を構成する四重極電極間を接続す
るために、上記平面内に位置する電極群では、隣り合っ
たイオンビーム路の隣り合う電極間をなめらかに連結す
る、だだし必要により連結の途中で複数の電極部分に分
割して構成した電極を用いて接続し、また、上記平面の
両側に位置する電極群では、それぞれ、分岐部分のイオ
ンビーム路に沿ってすべての電極を連結する、だだし必
要により連結の途中で複数の電極部分に分割して構成し
た電極を用いて接続し、上記平面内に位置する電極群
と、それらを両側から挟さむ電極群との間に高周波四重
極を印加し分岐をもった線形軌道を形成し、入射イオン
ビームの持つ運動量により、一意的にイオンビーム出射
路が決定されるイオンビーム分岐方法。12. Similar two or more ion beam incident paths having a focusing action by a high frequency quadrupole electric field having a bending angle of 90 degrees or less with respect to all ion beam incident directions in a plane including them. As an ion beam merging method for merging into one ion beam emission path having a focusing action, two electrodes to which an in-phase high frequency voltage is applied among the quadrupole electrodes forming each ion beam path are described above. Arranging each quadrupole electrode so as to be located in the plane, in order to connect between the quadrupole electrodes constituting each ion beam entrance / exit path at the branching portion, in the electrode group located in the above plane, Smoothly connect adjacent electrodes of adjacent ion beam paths, and if necessary, connect using electrodes configured by dividing into multiple electrode parts in the middle of connection, and also on both sides of the above plane Electricity In the group, each electrode is connected along the ion beam path of the branching part, but if necessary, the electrodes are divided into a plurality of electrode parts in the middle of the connection, and the electrodes are connected to each other. A high-frequency quadrupole is applied between the positioned electrode group and the electrode group sandwiching them from both sides to form a branched linear trajectory, and the ion beam exit path is uniquely determined by the momentum of the incident ion beam. Ion beam branching method.
ーム進行路を抜き去り、この電極板を、上下から2枚の
別の金属板で三者が等距離になるようにしかも上下の電
極板間隔が平板状金属板電極に開けたイオンビーム進行
路の幅と等しくなるように挟んだ電極構造を持つ請求項
11又は12記載のイオン分岐方法。13. An ion beam advancing path is extracted in a branched shape from a flat metal plate, and this electrode plate is formed by two separate metal plates from above and below so that the three members are equidistant and the upper and lower electrodes are formed. 13. The ion branching method according to claim 11 or 12, which has an electrode structure sandwiched so that the plate spacing is equal to the width of the ion beam advancing path formed in the flat metal plate electrode.
高周波電場が四重極電場に近づけるために、イオンビー
ム軌道に面する部分の電極形状を四重極に近づけた構造
とすることを特長とした請求項13記載のイオン分岐方
法。14. In order to make an applied high-frequency electric field close to a quadrupole electric field in a cross section perpendicular to the ion beam orbit, the electrode shape of the portion facing the ion beam orbit has a structure close to a quadrupole. 14. The ion branching method according to claim 13.
極板部分を取り除き、電極構造の静電容量を低減したこ
とを特長とする請求項12又は13記載のイオン分岐方
法。15. The ion branching method according to claim 12, wherein the capacitance of the electrode structure is reduced by removing the electrode plate portion at a position away from the ion beam trajectory.
分岐方法によるイオン入射手段もしくはイオン取り出し
手段のうち1つ、ないし両者をあわせて複数備えた請求
項1記載の高周波四重極イオン蓄積リング。16. The high-frequency quadrupole ion storage according to claim 1, further comprising one or a plurality of ion injection means or ion extraction means by the branching method according to any one of claims 11 to 15. ring.
周波イオン蓄積リング、イオン加速減速手段、イオン入
射、取り出し手段に加え、イオンを発生するイオン源
と、分子線を高周波イオン蓄積リング内部のイオンビー
ム軌道の一部分に向けて射出する分子線発生装置からな
るイオン−分子反応装置。17. In addition to the high frequency ion storage ring, ion acceleration and deceleration means, ion injection and extraction means according to any one of claims 1 to 10, an ion source for generating ions and a molecular beam are applied inside the high frequency ion storage ring. Ion-molecule reaction device consisting of a molecular beam generator that ejects toward a part of the ion beam trajectory of the above.
周波イオン蓄積リング、イオン加速減速手段、イオン入
射、取り出し手段に加え、イオンを発生するイオン源
と、レーザ光束を高周波イオン蓄積リング内部のイオン
ビーム軌道の一部分に向けて射出するレーザ光発生装置
からなるイオン−光反応装置。18. In addition to the high frequency ion storage ring, the ion acceleration / deceleration means, the ion injection / extraction means according to any one of claims 1 to 10, an ion source for generating ions, and a laser light flux inside the high frequency ion storage ring. Ion-light reaction device comprising a laser light generator that emits toward a part of the ion beam trajectory of the above.
積リング、イオン加速減速手段、イオン入射、取り出し
手段に加え、イオンを発生するイオン源と、電子線を高
周波イオン蓄積リング内部のイオンビーム軌道の一部分
に向けて射出する電子線発生装置からなるイオン−電子
反応装置。19. In addition to the high-frequency ion storage ring, the ion acceleration / deceleration means, the ion injection / extraction means according to any one of claims 1 to 16, an ion source for generating ions and an ion beam orbit inside the high-frequency ion storage ring. Ion-electron reaction device consisting of an electron beam generator that emits toward a part of the.
道の一部分と分子線軌道が重なった部分で、イオンビー
ムと分子線が平行に運動するようにしたことを特長とす
るイオン−分子反応装置。20. An ion-molecule reaction device characterized in that an ion beam and a molecular beam move in parallel at a portion where a part of the ion orbit inside the high-frequency ion storage ring and a molecular beam orbit overlap each other.
周波イオン蓄積リング、イオン加速減速手段、イオン入
射、取り出し手段に加え、特定のイオンを発生するイオ
ン源と分子ガス導入装置からなり、高周波イオン蓄積リ
ング内部のイオンビームと分子ガスが衝突し反応させる
こと特長としたイオン−分子反応装置。21. A high-frequency ion storage ring according to any one of claims 1 to 10, an ion acceleration / deceleration means, an ion injection / extraction means, and an ion source for generating specific ions and a molecular gas introduction device, An ion-molecule reaction device characterized by the collision and reaction of the ion beam inside the high-frequency ion storage ring with the molecular gas.
ルタとして動作させるために、任意の電圧値の四重極高
周波電圧と、任意の電圧値の四重極静電圧を、印加出来
る様にしたことを特長とした請求項17から21のいず
れかに記載したイオン−分子反応装置。22. A quadrupole high frequency voltage having an arbitrary voltage value and a quadrupole electrostatic voltage having an arbitrary voltage value can be applied in order to operate a part of the ion storage ring as a Q mass filter. 22. The ion-molecule reaction device according to any one of claims 17 to 21, characterized in that.
射手段から入射してイオン蓄積リングに蓄積し、蓄積終
了後に請求項20記載の質量分析手段をもちいて不要イ
オンを除去し、つづいて、分子線若しくは分子ガスと反
応を起こさせ、つづいて、請求項22記載の質量分析手
段をもちいて生成された目的イオン以外の不要イオンを
除去し、つづいてイオン取り出し手段からイオンを取り
出す一連のイオン−分子反応装置操作方法。23. The ions generated by the ion source are made incident from the ion injection means and accumulated in the ion accumulation ring, and after the accumulation is completed, the unwanted ions are removed by using the mass spectrometric means of claim 20, and then, 23. A series of ions which react with a molecular beam or a molecular gas and subsequently remove unwanted ions other than the target ions generated by using the mass spectrometric means according to claim 22, and then take out the ions from the ion extracting means. -Method of operating the molecular reactor.
イオン分子反応装置で生成し、取り出したイオンを基板
上に析出させて回収するイオン−分子反応物質回収方
法。24. A method for recovering an ion-molecule reactive substance, wherein the ion generated by the ion-molecule reaction device according to any one of claims 17 to 22 is taken out and deposited to collect on a substrate.
イオン分子反応装置で生成し、取り出したイオンビーム
をより高いエネルギーに加速するために、より高いエネ
ルギーへの加速能力を持つ他のイオン加速器に入射して
利用するという、請求項17から23記載のイオン分子
反応装置をイオン源として用いる方法。25. Another ion having the ability to accelerate to a higher energy in order to accelerate the ion beam generated and taken out by the ion molecule reactor according to any one of claims 17 to 22 to a higher energy. The method of using the ion molecule reactor according to any one of claims 17 to 23 as an ion source, which is used by being incident on an accelerator.
イオン−分子反応装置で生成した不安定で反応性の高い
イオン種を物質表面に位置制御して照射し、その物質の
表面の特定部位を特定分子で修飾することを特長とした
イオン−分子反応装置で生成したイオンの利用方法。26. Identification of the surface of a substance by irradiating the surface of the substance with an unstable and highly reactive ionic species produced by the ion-molecule reactor according to any one of claims 17 to 22. A method of using ions generated by an ion-molecule reaction device, which is characterized by modifying a site with a specific molecule.
イオン−分子反応装置で生成した分子イオンを細胞また
は生体組織に入射し、細胞または生体組織の生理特性に
変化を与えることを目的としたイオン−分子反応装置で
生成したイオンの利用方法。27. An object of the present invention is to introduce the molecular ions produced by the ion-molecule reaction device according to any one of claims 17 to 22 into cells or living tissues to change the physiological characteristics of the cells or living tissues. Of utilizing ions generated in the ion-molecule reactor.
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