【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。
【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。
【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 Letter 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。
【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。
【０００５】
【数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。
【０００７】
【数２】
【０００８】
【数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。
【００１０】
【数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。
【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５１ＭＨｚ、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。
【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。
【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。
【００１５】
【数５】
【００１６】
【数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。
【００１８】
【数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。
【００２０】
【数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。
【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。
【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。
【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（Ｖcomp／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。
【００２５】
【数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。
【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。
【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（１９４５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）。
【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。
【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３０、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。
【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。
【００３２】
【数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。
【００３４】
【数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。
【００３６】
【数１２】
【００３７】
【数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。
【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。
【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。
【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。
【００４２】
【数１４】
【００４３】
【数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、
【００４５】
【数１６】
【００４６】
で与えられる。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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１７）となる。
【００５４】
【数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。
【００５６】
【数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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【００７７】
【発明の実施の形態】
（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。
【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。
【００７９】
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＝２１２Ｖ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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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)＝５．３ｋｅＶ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。
【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。
【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１０５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１０３の中心に対し印加する。
【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。
【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。
【００９５】
はじめにイオン分岐路の実施例から説明する。
【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。
【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。
【００９８】
イオンビームの分岐路の選択は、電極１５７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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【図面の簡単な説明】
【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。
【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。
【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。
【図４】本発明の加速空洞の構造を示した図。
【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。
【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。
【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。
【図８】本発明のイオン分岐の電極構造を示した図。
【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。
【図１０】イオン合流の概念を示した図。
【図１１】本発明のイオン分子反応装置の概念を示した図。
【符号の説明】
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、４１…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、６１〜６８…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、７８…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、９３、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、１７５…イオン分岐部分電極、１７６…イオン分岐制御電源。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a low-speed ion beam storage device having a level of about 1 kV or lower, and a high-frequency quadrupole ion storage ring for stably storing a low-speed ion beam on a circular orbit, and means for injecting and extracting the ion beam. It is effective for accelerating and decelerating the accumulated ion beam, for elucidating the physical phenomena of atoms and molecules, for spectroscopic analysis, and for ion beam manipulation applications such as laser cooling, and for ion beam implantation into objects. is there. Furthermore, it is effective as a means for generating a new substance by providing a means for generating mass spectrometry and means for generating an ion molecule reaction.
[0002]
[Prior art]
Ion storage rings have been built for the purpose of accumulating particles above mega-electron volts due to the historical background of developing as an accelerator for obtaining high-energy particles used in elementary particle physics and nuclear physics. Due to the practical requirement to keep the beam trajectory constant, strong converging storage rings using a magnetic field with synchrotron acceleration function are now mainstream.
[0003]
However, in recent years, an accumulated ion beam of several tens of megavolts or less has been demanded as a means of elucidating the physical phenomenon of atoms and molecules, which is a low energy phenomenon. As a realization method, the storage ring actually constructed at present is a storage ring using a magnetic field storage method used in a conventional high-energy accelerator. (For example, M. Larsson et al .: Physical Review Letter Vol. 70 Page 430 (1993)). However, in this type of ion storage ring, the lower limit of the ion beam that can be stored is about several kiloelectron volts because it is difficult to obtain a stable and reproducible weak magnetic field.
[0004]
On the other hand, as a means for accumulating a low-speed ion beam of about 1 kiloelectron volt or lower, a method for accumulating ions using a focusing force by a high-frequency quadrupole electric field has been proposed. As shown in FIG. 1, the electrode structure is a combination of four ring electrodes 11 to 14, and the cross section has a quadrupole structure. The electrodes 11 and 14 and the electrodes 12 and 13 are connected to the electrodes so as to have the same potential, and a high-frequency voltage having an angular frequency Ω and an amplitude of 2 Vrf is applied between them by the high-frequency power supply device 15. Forms a quadrupole electric field. At this time, if Ω and Vrf are selected as follows, ions are strongly focused on a circular orbit represented by r = 0 by a high-frequency quadrupole electric field and accumulated inside the ring. In the following calculation, m and Q are the mass and charge of ions, Vrf and Ω are the amplitude and angular frequency of the high-frequency voltage, and 2r0 is the distance between the electrodes. For the sake of simplicity, ignoring the curvature of the electrodes, this strong focusing action is such that ions are strongly focused toward the quadrupole center when the stability parameter q expressed by (Equation 1) satisfies q <0.91.
[0005]
[Expression 1]
[0006]
This strong focusing effect can be described as a harmonic potential given by (Equation 2) and (Equation 3).
[0007]
[Expression 2]
[0008]
[Equation 3]
[0009]
This potential is generally called a pseudopotential, and D gives the depth of the pseudopotential. The harmonic oscillation of ions caused by pseudopotential is called secular motion, and its frequency ω0 is given by (Equation 4).
[0010]
[Expression 4]
[0011]
The conventional example of a high-frequency quadrupole storage ring shown above is a high-frequency quadrupole ion storage ring made to store antiprotons that are antiparticles of protons (for example, BIDeutch et al .: Physica Scripta T22 Volume 248 (published in 1988)). This conventional example aims to accumulate an antiproton beam having a kinetic energy of 2.5 kV. It has been proposed to implant an ion beam into a ring electrode by capturing the ion beam by starting to apply a high-frequency electric field when the ion beam passes through the ring electrode.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
In the idea of the above conventional example, the following two points can be problematic in an industrial sense. The first is a high frequency power source for injecting an ion beam. Since the high frequency is applied while the ion beam is passing through the ring electrode, the high frequency application circuit is required to have high speed that rises in about the passage time. For this purpose, a high-power capacity high-frequency power supply device capable of lowering the impedance of the high-frequency circuit system and driving the low-impedance circuit system is required. In this paper, it is necessary to apply a high frequency voltage of 51 MHz and 2.6 kV for 1000 nanoseconds, and a 2 KW high frequency power source is used for this purpose. However, it is not efficient to use such a high-power high-frequency power source only for ion implantation.
[0013]
The second problem is that the average orbit of an orbiting ion beam shifts from the bottom of the pseudopotential to the outer peripheral side due to centrifugal force. In this paper, the position where the centripetal force due to centrifugal force and pseudopotential balance is the standard trajectory of ions. This position moves outward as the ion beam energy increases. This is shown in FIG. 2 by calculation.
[0014]
Assume that the radius of the electrode is R, the kinetic energy of the standard ion 21 is Es, the standard velocity is vs, the amount of expansion of the standard orbit radius from the radius R is rs, and the standard angular frequency is ωs. The definition of ωs is (Equation 5), and the balance condition between the centrifugal force of ions and the force due to pseudopotential is given by (Equation 6).
[0015]
[Equation 5]
[0016]
[Formula 6]
[0017]
From (Equation 5) and (Equation 6), the orbit 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]
[Expression 7]
[0019]
At this position rs, the ion beam always receives a strong high-frequency electric field and starts to vibrate at the same frequency as the 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. The energy at that time is equal to the magnitude of the pseudopotential at rs. That is, using rs given by (Equation 7), the vibration energy K in the lateral direction of the ion beam is given by (Equation 8).
[0020]
[Equation 8]
[0021]
Accordingly, a first object of the present invention is to provide a quadrupole ion accumulation ring that stably accumulates an ion beam without receiving disturbance of a high-frequency electric field. The second problem is to provide a quadrupole ion storage ring that avoids the need for a high-power, high-frequency power source. A third problem is to provide an application field and a method for using the ion beam as an industry.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
I. Waki et al .: Physical Review Letters Vol. 68, 2007 (issued in 1992) gives suggestions for solving the first problem. That is, in this paper, almost stationary ions generated in the storage ring are accumulated for about 1 hour, and further, these ions are generated by repulsion of each other by Coulomb force by laser cooling. The arrangement state is observed. This phenomenon is not realized when there is a large disturbance that increases the thermal motion of ions. In other words, this paper shows that the disturbance to the ion is very small at the bottom of the pseudopotential where the ion is located.
[0023]
That is, in order to solve the first problem of the present invention, if the trajectory of the ion beam is positioned at the bottom of the pseudopotential, the high-frequency electric field is involved only in the focusing action of the ion beam and gives vibration to the ion beam. Adverse effects can be eliminated. Therefore, the centripetal force of the ion beam that the pseudopotential has played in the prior art is given by another means in the present invention.
[0024]
In the present invention, as shown in the explanatory diagram of FIG. 3, a centripetal force is applied by providing means for superimposing a DC voltage between the inner electrode 11 and the outer electrode 12 among the electrodes constituting the ion storage ring. Reference numeral 25 denotes a variable DC power supply, and 26 and 27 denote high impedance connection means for connecting the storage ring electrode and the variable DC power supply. This DC voltage applies an inward force of the electrode to the ion beam. 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 positioned at the bottom of the pseudopotential. The DC voltage is approximated to be applied uniformly at the center portion of the electrode, and the electric field gradient at the center portion of the electrode is defined as (Vcomp / a). Then, (Equation 9) is derived from the condition that the centrifugal force of the ion beam cancels out the force due to the DC voltage.
[0025]
[Equation 9]
[0026]
When the ions 28 move on the central orbit shown in FIG. 3 by the above means, they do not receive a high-frequency electric field and are not affected by a high-frequency electric field. Only the ions 29 moving on the orbit shifted by Δr from the average orbit receive a high-frequency electric field and are strongly converged. As described above, stable circular motion of the ion beam is realized.
[0027]
In order to solve the second problem, an acceleration / deceleration beam energy operating means is provided for a high-frequency quadrupole ion storage ring. Thereby, the ion made inside the storage ring can be accelerated to an arbitrary energy. As a result, the need for a high power high frequency power supply is avoided.
[0028]
As an acceleration principle for realizing this, the same synchrotron phase stability principle as that of the conventional synchrotron accelerator is used. A proposal of an accelerator using the principle of phase stability was made by Macmillan in 1945 (for example, Physical Review 68, 143 (issued in 1945)). The explanation of the principle can be found in various places (for example, Hiroo Kumagai: Experimental Physics Course: Accelerator Kyoritsu Publishing).
[0029]
Hereinafter, two concepts of the high-frequency quadrupole ion storage ring to which the principle of phase stability realizing the present invention is applied will be described.
[0030]
The first is to divide the ion storage ring and insert an acceleration means using an acceleration cavity in that portion. FIG. 4 shows an acceleration means using an acceleration cavity for this purpose. This is an electrode structure composed of two flat plate electrodes 30 and 31 having a hole in the center and an acceleration cavity electrode 32. The plate electrodes 30 and 31 are grounded, and an acceleration AC voltage is applied to the acceleration cavity electrode 32 by an AC power source 33. As a result, an alternating electric field is generated in the gap between the plate electrodes 30 and 31 and the acceleration cavity. When ions pass through the two gaps, they are accelerated or decelerated depending on the direction of the electric field. Since the inside of the accelerating cavity electrode is equipotential, the ions have a uniform linear motion. The conditions for the operation of this acceleration means are given by the synchrotron phase stability principle. In the following discussion, the charge of ions is assumed to be positive. In FIG. 4, only the rings 12 and 14 are shown, but the rings 11 and 13 are also provided in the same manner at opposing positions.
[0031]
First, a condition is obtained in which, when an accelerating AC voltage having a constant frequency is applied, ions are stably rotated at a constant speed without receiving the accelerating AC voltage. For this purpose, it is necessary to satisfy two requirements. That is, when an ion moving at a velocity v (hereinafter referred to as a standard ion) enters the acceleration means, the amplitude of the acceleration electric field applied to the two acceleration portions is zero, and secondly, The ions that arrive early are decelerated in both gaps, and conversely, ions that arrive late are accelerated. For that purpose, when standard ions enter the acceleration cavity, the amplitude of the acceleration AC electric field is 0, and before and after that, the acceleration cavity voltage needs to shift from positive to negative in terms of time. When emitted from the acceleration means, the amplitude of the acceleration AC electric field is 0 with respect to the standard ions, and before and after that, the acceleration cavity voltage needs to shift from negative to positive in terms of time. The above conditions are given by (Equation 10) using the length b of the acceleration cavity, the acceleration AC electric field frequency facc, and an integer n (n> = 0).
[0032]
[Expression 10]
[0033]
Further, when the standard ions go around the ring electrode and reach the acceleration means again, the amplitude of the acceleration AC electric field needs to be zero again. The condition for this is given by (Equation 11).
[0034]
[Expression 11]
[0035]
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]
[Expression 12]
[0037]
[Formula 13]
[0038]
When accelerating ions, the frequency of the accelerating AC electric field is swept from the low frequency to the high frequency side. Then, the ions are always delayed with respect to the phase where the accelerating AC electric field becomes zero, and the ions continue to receive a positive force, so that they are accelerated. Conversely, 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]
In the acceleration / deceleration process of the present invention, in order to keep the ion trajectory constant, a variable DC voltage depending on the ion beam energy as given by (Equation 9) is applied.
[0040]
Further, in order to make the ion beam move smoothly at the junction between the acceleration 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 this purpose, the method of applying a high frequency to the two pairs of electrodes at the diagonal positions of the high frequency quadrupole electrode has the same amplitude and opposite phases, and the high frequency potential at the center of the electrode is set to the ground potential. Further, a negative voltage with respect to the ground is applied to the inner electrode, and a positive voltage with respect to the ground is applied to the outer electrode so that the DC potential becomes the ground potential at the center of the electrode.
[0041]
In this acceleration means using an acceleration cavity, when the radius of the ring electrode is small, the ions move straight in the acceleration cavity, so the ion beam moves poorly in a circular orbit and becomes unstable. The result is disturbing sex. Therefore, the ring electrode is divided into two congruent arcs, and an acceleration cavity is inserted into one or both of them. Ions can be incident and ejected along the axis of the acceleration cavity, thereby improving the coupling between the two. Then, a linear quadrupole electrode having the same length as that of the acceleration cavity is inserted into the part where the acceleration cavity is not inserted. The relationship between the conditions imposed on the electrode structure and the relationship between the ion beam energy and the acceleration AC electric field frequency when an acceleration cavity is inserted into one and a linear quadrupole electrode is inserted into the other is shown in Equation 14 below. ) And (Equation 15).
[0042]
[Expression 14]
[0043]
[Expression 15]
[0044]
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 pieces and accelerated by applying an alternating voltage to the divided gap. In the accelerating means using the first accelerating cavity, there is a disadvantage that perturbation to ions becomes large due to insertion of an accelerating electrode having a shape that is significantly different from that of the ring electrode. Furthermore, in the low energy ion beam, since the focusing force due to the high frequency to the ions does not work in the acceleration cavity portion, ions are lost in that portion. On the other hand, this embodiment has a feature that a continuous strong convergence effect can be obtained at all positions on the ring by sufficiently reducing the distance at which the electrodes are divided. That is, even almost stationary ions can be accumulated. The acceleration AC voltage is applied to the entire divided electrodes. Then, the ions are accelerated or decelerated in the divided gaps. Inside the divided electrodes, the ions do not receive this AC voltage and thus move around. 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 and the same consideration as in the acceleration principle using an acceleration cavity.
[0045]
[Expression 16]
[0046]
Given in.
[0047]
In this case, ions generated inside the ring can be accelerated from the initial velocity of zero by setting the number of divisions to three or more. The number of divisions is three or more, and by applying an acceleration AC voltage with a phase shift to each divided electrode, it is possible to uniquely determine the accelerated direction that was impossible with the two division numbers. Because.
[0048]
As a result, there is no need to enter ions as a beam, and a high-frequency power source with a high power capacity is unnecessary.
[0049]
In applying an acceleration AC voltage to the divided electrodes of this embodiment, it is important not to lower the impedance of the electrode to ground at a high frequency. Therefore, a high impedance with respect to the ground is ensured by a method in which alternating current is applied through a transformer connected to the divided portion of the electrode.
[0050]
In the above discussion of phase stability, the relationship between the length of the acceleration cavity and the ion orbit is strictly defined. However, achieving this with only the accuracy of manufacturing the ion storage ring is expected to be difficult in the case of the present invention with a short ring circumference. A method for avoiding this will be disclosed below.
[0051]
This difficulty can be avoided if either the acceleration cavity length or the ion orbit length can be effectively varied. In the present invention, the ion orbit length is effectively made variable by applying a DC voltage to a part of the ion orbit. That is, when positive ions are accumulated, if a part of the orbit has a positive electrostatic potential compared to the other parts, the ion velocity at this part becomes small, so the ion circulation time is not applied. Longer than the case. Conversely, if a negative electrostatic potential is provided, the ion velocity at this portion increases, so that the ion circulation time is shorter than when no ion is applied. As described above, the ion beam trajectory can be effectively fine-tuned by applying a DC voltage to a part of the ion trajectory. In implementation, a method of superimposing a DC voltage on the acceleration cavity part or a part along the circular orbit of the high-frequency quadrupole ion storage ring is cut and insulated in a DC manner, and this is superimposed on the high-frequency voltage for ion storage. Apply a DC voltage.
[0052]
By implementing the present invention, it is possible to stably store an ion beam having a level lower than that of a kiloelectron volt, which is impossible with an ion storage ring using a conventional magnetic field and a high-frequency quadrupole ion storage ring. It becomes.
[0053]
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. This is shown below. In the prior art, since the ion beam circulates by the balance between the centrifugal force received by the force and the force generated by the pseudopotential, the energy of the ion beam that can be stored is limited by the depth D of the pseudopotential. That is, when rs exceeds r0, the ion beam collides with the electrode and is lost. Therefore, the maximum energy Es (max) of the ion beam that can be stored is rs (Es = Esmax) = From r0, (Equation 17) is obtained.
[0054]
[Expression 17]
[0055]
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 matches the secular motion frequency, the acceleration means gives energy to the secular motion that is a vibration in the direction perpendicular to the traveling direction of the ions, meaning that the ions resonate and become unstable and lost from the electrode. 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]
[Expression 18]
[0057]
Generally, (Equation 18) is larger than (Equation 17). That is, it becomes possible to accumulate an ion beam having a higher energy than that of the prior art.
[0058]
Further, by providing an accelerating means that is not provided in the conventional high-frequency quadrupole ion storage ring, the beam can be accelerated and decelerated to an arbitrary energy of kilo electron volt or less.
[0059]
Furthermore, by providing acceleration means, ions generated inside the storage ring electrode can be accelerated to generate an ion beam inside the storage ring. Therefore, unlike the prior art, it is not necessary to change the high frequency amplitude at high speed in order to inject the ion beam. That is, since the high-frequency amplitude for ion accumulation should be kept constant, the impedance of the high-frequency circuit system can be increased, and driving with a low-power high-frequency power source becomes possible.
[0060]
Another method for eliminating the need for a high-power capacity high-frequency power source in connection with ion injection is to provide a dedicated ion beam injection path for ion beam injection in a quadrupole storage ring. Also, an ion beam emission path can be provided based on the same principle. First, the electrode structure and principle of the ion beam incident / exit path of the present invention will be described.
[0061]
In the electrode structure for providing the ion incident path and the output path, when a cross section perpendicular to the ion beam trajectory is viewed, a high-frequency voltage having the same phase of the quadrupole electrode is applied to the surface formed by the trajectory of the ion beam. Two electrodes are positioned, and a quadrupole structure is formed in which the trajectory of the ion beam is sandwiched between the two electrodes from above and below. At the branch portion, at least three linear quadrupole electrode structures intersect. As for the electrode structure, first, the structure of the electrode located on the surface formed by the trajectory of the ion beam is adjacent to each other without sandwiching the ion trajectory of the four electrodes of the two adjacent ion beam entrance / exit paths. An electrode having a shape in which two electrodes are smoothly connected is used. The structure of the electrodes positioned on both sides of the surface formed by the ion beam trajectory is an electrode having a shape along the ion beam trajectory. The electrode at the branch portion may be formed integrally with the electrode of the ion beam entrance / exit path, or may be formed as a combination of many electrodes.
[0062]
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 trajectory plane and the electrodes sandwiched between them, a quadrupole high-frequency electric field is generated in the ion trajectory portion. To focus ions along the trajectory.
[0063]
When branching an ion beam, a function of arbitrarily selecting one of a plurality of ion beam emission paths is required. Its function is to apply a DC voltage or pulse voltage to the bifurcation, and to apply a force in a direction substantially perpendicular to the direction of ion beam travel and parallel to the ion trajectory plane, leading to one of the ion beam exit paths. Realize by putting it in. For this purpose, the branched portion of the electrode located on the plane including the ion beam trajectory is divided at two locations, and this portion is galvanically insulated. Then, by applying a DC voltage superimposed on this portion, ion beam extraction path selection is realized.
[0064]
When merging a plurality of ion beam paths 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 ion beam is spontaneously caused by the inertia of the ion beam. Since it goes to the emission path, the function of applying a DC voltage or a pulse voltage is not required.
[0065]
One of the methods for realizing the above ion beam branching path is shown. First, the ion beam track is extracted from the flat metal plate. The width of the track is about twice the thickness of the metal plate. Then, the electrode plates are installed in parallel so that the three members are equidistant by two separate metal plates from above and below, and the distance between the upper and lower metal plates is approximately the width of the track. It is desirable to have a five-layer structure in which a flat insulator is sandwiched between metal plates. If a high frequency is applied between an electrode plate having an ion beam trajectory with the above electrode structure and two upper and lower electrode plates, a high frequency electric field mainly composed of a quadrupole component is applied on the ion beam trajectory. Is done. This electrode structure resembles the electrode arrangement by Straubel, which charged particles were captured by a high-frequency electric field (H. Straubel: Die Naturwissenschaften, Vol. 18, 506, published in 1955). However, in this experiment, charged particles are captured in a circular hole or charged particles are aligned and captured in a long hole, branching, ion beam accumulation, and branching are reached. Not in.
[0066]
However, the quadrupole polarity of the high-frequency electric field created on the ion beam trajectory is incomplete with only the simple electrode structure composed of the above three-layer electrode group. Therefore, it is effective to increase the quadrupolarity by processing a portion of the electrode facing the ion beam path close to the quadrupole structure.
[0067]
Further, when the electrode group is formed of a metal flat plate, a portion of the electrode away from the ion beam trajectory that does not greatly affect the ion beam trajectory functions as an unnecessary capacitance. Since this places an unnecessary burden on the high frequency power supply, it is effective to remove it.
[0068]
By making 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. Furthermore, in addition to these functions, by providing an ion source, mass spectrometry means, means for causing a reaction with a molecular beam, means for interacting with a laser beam and performing spectroscopic operations, etc., a wide range is provided. Ion operation becomes possible. Therefore, in the following, an industrial application field that makes use of the features of these ion operation means, and a combination method and operation method of means listed more than necessary to realize it will be disclosed.
[0069]
One application of the present invention is a means for synthesizing new substances. It is known that ions trapped in vacuum collide with residual molecular gas in vacuum and cause a chemical change, that is, an ion-molecule reaction. In addition, substances that are unstable in gas or solution can be stably trapped for a long time because ions are trapped in vacuum. Taking advantage of this feature, unstable substances that cannot be synthesized in a solvent or gas can be generated in the storage ring. That is, one of the raw materials is stored in the storage ring as ions, and the ions are allowed to interact with a molecular gas, light, electron beam or the like to generate a target material. The molecular gas can easily cause a molecule-ion reaction using the atmosphere in which the storage ring is placed as a diluted molecular gas. In addition, the ion beam accumulated in the accumulation ring is caused to interact 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 molecular beam as a variable, the same ion and molecular species will cause different reactions to generate ions with different structures.
[0070]
In the case of reacting with an electron beam and a laser beam, each may be incident on an ion orbit.
[0071]
An apparatus configuration and an operation method necessary for carrying out a method of generating a new substance by ion-molecule reaction inside the ion storage ring will be described. An ion source that generates ions that become the parent of the reaction inside the vacuum chamber, an ion storage ring equipped with ion injection means emission means, mass analysis 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 that has been widely used conventionally is used as the mass analysis means. The Q mass filter has the same quadrupole structure as the quadrupole ion storage ring, and in addition to applying a high frequency quadrupole voltage with an appropriate amplitude, a DC quadrupole voltage with an appropriate voltage value is superimposed and applied. 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 perform a Q-mass filter operation on a part of the storage ring.
[0072]
Next, a procedure for synthesizing a new substance using the above apparatus will be described. Parent ions are generated in an ion source. 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 target parent ion. Therefore, a part of the storage ring that operates as a Q mass filter is set to a condition that allows only ions having the charge mass ratio of the parent ions to pass stably, and unnecessary ions are excluded from the storage ring to increase the purity of the parent ions. Thereafter, it interacts with a molecular beam or molecular gas atmosphere to generate a new substance. After the production, the mass analysis part is set to pass only the target ions, and mass analysis is performed to increase the purity of the target substance. And it takes out from the ion extraction means of a storage ring, accumulates on a board | substrate, and collect | recovers. Alternatively, it is used by leading to the next ion process. In particular, the following cases are assumed for use as an ion beam process.
[0073]
By guiding the ion beam of the material generated in the above invention to a conventional accelerator that accelerates the ion beam to a higher energy ion beam, it becomes possible to use the new material ion as a high energy ion beam. As a conventional accelerator, the RFQ accelerator is easy to connect because the electrode structure is a quadrupole. In the field of using high-energy ion beams, academic applications that mainly explore the properties of atoms and molecules are expected.
[0074]
On the other hand, ion beams of several kiloelectron volts or less are considered particularly useful for industrial use. One example of an application field that has been pointed out in the past is that ions are incident on an object and its physical properties are controlled. In addition, a new application of the ion beam generated by the present invention is provided.
[0075]
First, the surface of the material is controlled by irradiating the material surface with ions having special properties created in the present invention. In particular, the surface of a substance is irradiated with a highly binding ion, for example, a molecular ion of a functional group in which one of the bonding arms such as —CH 3, —COOH, —CH 2, etc. is released, and is highly efficient at a specific site. It is conceivable to modify ions by controlling their positions. By appropriately selecting ions as modifiers, or by changing the modified molecules to the target molecules by chemical treatment, for example, to use as a fine mask in etching treatment frequently used in semiconductor processes Is possible. Further, by the same method, it is possible to modify the position of a molecule serving as a catalyst at a specific site on the surface so as to have a catalytic function.
[0076]
Second, the ions produced in the present invention can be incident on the inside of the object to change the properties of the substance. This method is not limited to physical property control in a semiconductor process or the like. In particular, when this technique is applied to a living body, it will be possible to change the physiological state of the cell or tissue by introducing a special molecule into the specific cell or tissue. For example, a highly reactive molecule can be directly injected into a cancer cell or the like and killed.
[0077]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Example 1)
FIG. 5 shows an example of accumulating an Mg ion beam as an embodiment for compensating the centrifugal force by the direct current voltage of the present invention and stabilizing the beam.
[0078]
24Mg ion: mass m = 24 GeV / c2
In the embodiment shown in FIG. 5, only one half of the ring electrode is shown, but it consists of quadrupole ring electrodes 11 to 14, high frequency circuit systems 41 to 48, and DC voltage application systems 25 and 49 to 52. The two parameters R and r0 giving the electrode structure are the following values:
[0079]
In order to apply a high-frequency voltage with a large input with low input power to the above electrode structure, a coil 42 is connected to the electrode, and an LC resonance circuit is constituted by capacitors 45 to 48. If a high-frequency toroidal core 43 (permeability = 10) having a low magnetic permeability is used to obtain good high-frequency characteristics as a coil used in a resonance state, and a conductor wound around this is used 40 times, the resonance frequency of the LC circuit Ω is several MHz. When the conducting wire is wound once around the toroidal core separately from this winding, the coil 44 becomes a primary coil and the coil 42 becomes a secondary coil, which becomes 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. In order to set the parameter q to 0.5 at this frequency, Vrf = 212V is necessary. As described above, various parameters for strong convergence are calculated.
[0080]
Stability parameter: q = 0.5
High frequency: Vrf = 212V, Ω / 2π = 3MHz
Input high frequency power: 1W (actual measurement)
Pseudopotential depth: D = 13.3V
Permanent motion frequency: ω0 = 530kHz
It is.
[0081]
A circuit for applying a DC voltage for compensating the 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 with a connecting means having a sufficiently high impedance with respect to the ground. In this embodiment, high impedance resistors 49 to 52 are inserted for ease of implementation. Capacitors 45 to 48 were inserted in order to avoid direct current conduction between the electrodes. This capacitor is also a capacitor for the resonant circuit.
[0082]
When the ion beam is accumulated in the ion accumulation ring having the above parameters and the centrifugal force is not compensated, the energy of the ion beam that can be accumulated is calculated from (Equation 17) as follows.
[0083]
Maximum storable energy: Es (max) = 133eV
Maximum standard angular frequency: ωs (max) /2π=83.8 kHz
And the energy K of the transverse vibration is (Equation 8) and becomes the value set as rs = r0.
Energy of transverse vibration: K = D = 13.3 eV
It is.
[0084]
On the other hand, when the centrifugal force is compensated by the DC voltage, the maximum storable energy is calculated as follows from (Equation 18).
[0085]
DC voltage value: Vcomp = 260V
Maximum storable energy: Es (max) = 5.3 keV
Maximum standard angular frequency: ωs (max) / 2π = ω / 2π = 530 kHz
It is.
[0086]
Thus, the maximum energy that can be stored can be greatly increased by compensating the centrifugal force with the DC voltage.
[0087]
(Example 2)
In Example 2, an example of an ion storage ring in which an acceleration mechanism is realized by an acceleration cavity is shown in FIG.
[0088]
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 means 69 through the acceleration means 69 having the structure shown in FIG. 72, linear quadrupole electrodes 73 and 74 having the same length as the acceleration means are inserted in one of the divided portions. Then, the arc-shaped electrode and the linear quadrupole electrode portion are galvanically insulated using capacitors 77 and 78. The structure and size of the electrode are obtained by dividing the ring electrode of Example 1 into two parts. 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 in Equation 14 is 0 and the parameter h is 10.
[0089]
An electric circuit for driving the above electrode structure is also shown in FIG. First, a high frequency of the same phase is applied to the two arc-shaped quadrupole electrodes and the linear quadrupole electrode to give a strong focusing action. At that time, like the first embodiment, the transformer 79 is coupled to the quadrupole electrode, and LC resonance is performed to amplify the high frequency amplitude. High frequency power is generated by a high frequency power supply 80. The method of applying a high frequency to the two sets of electrodes at the diagonal positions of the high frequency quadrupole electrode is the same amplitude and opposite phase, and the high frequency potential at the center of the electrode is the ground potential. For this purpose, the center of the secondary coil of the transformer 79 is grounded. Further, DC voltage applying means 81 to 84 for compensating for the centrifugal force for fixing the ion beam trajectory at the center of the quadrupole are provided in the two arc quadrupole electrode portions. A negative voltage with respect to the ground is applied to the inner electrode and a positive voltage with respect to the 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, capacitors 85 and 86 are inserted to avoid direct current conduction through the transformer 79. An AC power supply 72 capable of frequency sweep is connected to the acceleration cavity electrode.
[0090]
Since the maximum ion beam energy that can be stored in this embodiment is the same as that in Embodiment 1 and Es (max) = 5.3 keV, the maximum AC voltage frequency applied to the acceleration cavity electrode is facc from (Equation 15). (max) = 4.7 MHz.
[0091]
(Example 3)
FIG. 7 shows an embodiment in which the electrode is divided into a plurality of portions and an acceleration voltage is applied to the divided portions.
[0092]
Coils 102 and 103 are connected between two parts of the divided ring electrode. This coil is a secondary coil of the transformer 104. An accelerating AC voltage is applied from the primary coil 105. The high-frequency electric field is applied to the centers of the two secondary coils 102 and 103 so that the strong convergence high-frequency electric field is applied to the two divided portions under the same conditions.
[0093]
Reference numerals 99 and 100 denote DC voltage application circuits for compensating the centrifugal force. The rotational 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), the voltage is applied.
[0094]
(Example 4)
The present embodiment relates to a method for arbitrarily branching one ion beam path into two beam paths and a method for joining two ion beam paths into one beam path. The electrode structure is shown in FIGS. FIG. 8 is a sketch of the electrode structure, FIG. 9 is an embodiment as an ion beam branching path, and FIG. 10 is an embodiment as an ion beam converging path. In the following, a case where an ion beam having a positive charge is branched will be considered. In the case of branching an ion beam having a negative charge, only the polarity of the DC power source is converted.
[0095]
First, an example of an ion branch will be described.
[0096]
Ion passages are formed as 153 to 158, and the ion passages are sandwiched between two electrodes 151 and 152 from above and below as shown in FIG. It is desirable that the portion facing the ion trajectory has an electrode structure close to a quadrupole structure as shown in FIG. 8 so that an ideal quadrupole electric field is formed inside the passage. A high frequency voltage satisfying a condition for focusing an ion beam is applied to these electrode structures between the electrodes 153 to 157 sandwiched between the upper and lower electrodes 151 and 152 using a high frequency power source 159. The conditions are the same as in the case of the ion storage ring shown in Examples 1 to 3. A DC voltage is applied to the electrode 164. This is because the orbit of the ion beam is positioned at the center of the electrode axis as shown in the first embodiment. The voltage value is as shown in the first embodiment.
[0097]
The electrode 157 is galvanically insulated. A DC power supply 161 for applying a DC voltage is connected here. At this time, the power source and the electrode are connected via the high impedance connecting means 160 as necessary.
[0098]
The ion beam branching path is selected by superimposing a DC voltage generated by the power supply 161 on the electrode 157. When the ion beam is guided to the branch path in the straight direction indicated by the solid line, the ion beam is guided to the straight branch path by inertia by applying 0 to negative voltage, or the ion beam is attracted on 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 guide the ion beam to the branch path indicated by the broken line.
[0099]
On the other hand, FIG. 10 shows an embodiment of an ion beam path for joining ion beams.
[0100]
When the ion beams are merged, it is not necessary to disconnect the DC power supply and the electrode 166. This is because the ion beam trajectory is uniquely determined by the inertia of the ion beam.
[0101]
(Example 5)
In this embodiment, an ion storage ring is used as an ion-molecule reaction apparatus. The apparatus includes an ion source 171, an ion incident path, and two branches used as an ion exit path, and further includes an ion storage ring and a molecular beam generator 174 having Q mass filter functions 172 and 173.
[0102]
In FIG. 11 showing the present embodiment, a cross section of the ion storage ring at the orbital plane of the ion beam is seen. The ion accumulation ring of this embodiment includes one ion incident path and one ion emission path. Both correspond to the case where the ion beam shown in the fourth embodiment is synthesized 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 DC voltage for making the ion beam trajectory coincide with the electrode axis is applied to a portion having the curvature of the ion storage ring in a superimposed manner.
[0103]
Further, the ion storage ring of this embodiment has a mass analysis function based on the same principle as that of the Q mass filter. The high frequency voltage and DC voltage value of the mass analysis portion 172 can be arbitrarily applied. A variable voltage power source 173 indicates a DC power source for mass spectrometry.
[0104]
An ion source is a device that generates ions that become the parent in an 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 generates a parent molecule in an ion-molecule reaction. Generates molecular beams and has the function of controlling their exit.
[0105]
Then, the operation method of the above ion-molecule reaction apparatus is shown. The following operating method is for positive ions. In the case of negative ions, it can be applied simply by reversing the polarity of the ion emission voltage.
[0106]
First, ions generated in the ion source are accumulated in the ion accumulation ring. At this time, the output voltage of the ion extraction power source is set to be positive and set so that the ion beam makes a circular motion. The DC voltage of the mass spectrometer is set to 0 V so that ions can be captured stably. In this state, ions generated from the ion source are injected into the ring, and a necessary amount is accumulated.
[0107]
Subsequently, the purity of the parent ion is increased as 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, and ions are stably captured.
[0108]
Subsequently, a molecular beam is incident on the ion beam orbit to cause a molecule-ion reaction. After sufficient reaction, the molecular beam is stopped.
[0109]
Subsequently, in order to increase the purity of the generated target ions, the Q mass filter portion is operated again. The operating voltage is set so that target ions can pass and other unnecessary ions can be removed.
[0110]
After the above procedure, the ion extraction power source is switched to 0 or negative to take out ions from the ion beam extraction path and use them.
[0111]
The utilization method is such that the target substance is deposited on the substrate and recovered, connected to other acceleration means, used as a higher energy ion beam, or used in other ion processes.
[0112]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to stably accumulate an ion beam of about 1 kiloelectron volt or lower and to perform operations such as acceleration and deceleration. This makes it possible to perform spectroscopic analysis using an ion beam of kiloelectron volts or less, laser cooling of the ion beam, and the like that could not be used until now.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram defining variables for explaining the principle of strong focusing by a high-frequency electric field.
FIG. 2 is a diagram showing definitions of variables that describe ions that orbit in a high-frequency quadrupole ion storage ring.
FIG. 3 is a diagram showing definitions of variables that describe ions that orbit in a high-frequency quadrupole ion storage ring.
FIG. 4 is a diagram showing the structure of an acceleration cavity according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing an embodiment of a high-frequency quadrupole ion storage ring in which centrifugal force is compensated.
FIG. 6 is a view showing an example of a high-frequency quadrupole ion storage ring having an acceleration cavity as an accelerating means.
FIG. 7 is a diagram showing an embodiment of a high-frequency quadrupole ion storage ring having an acceleration function by dividing an electrode.
FIG. 8 is a view showing an electrode structure of an ion branch according to the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a method of applying a branch voltage applied to an ion branch.
FIG. 10 is a diagram showing the concept of ion merging.
FIG. 11 is a diagram showing the concept of the ion molecule reaction apparatus of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11, 12, 13, 14 ... Quadrupole ring electrode, 15 ... High frequency power supply, 21 ... Ion which moves in a standard orbit, 25 ... Variable DC power supply, 26, 27 ... High impedance connection means (high resistance), 28 ... Standard Ions moving in orbit, 29 ... Ions moving out of normal orbit, 30, 31 ... Plate electrode, 22 ... Acceleration cavity electrode, 33 ... Acceleration AC power supply, 41 ... High frequency power supply device, 42 ... Secondary coil, 43 ... Toroidal transformer core, 44 ... Primary coil, 45-48 ... Capacitor, 49-52 ... High impedance connection means, 61-68 ... Quadrupole ring electrode, 69-72 ... Acceleration means by acceleration cavity, 73-76 ... Linear quadrupole electrode, 77, 78 ... capacitor, 79 ... transformer, 80 ... high frequency power supply, 81-84 ... DC voltage applying means, 91, 92, 93, 94 ... divided Quadrupole ring electrode portion 1, 95, 96, 97, 98 ... Divided quadrupole ring electrode portion 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 to 158 ... Electrodes constituting ion branches, 159 ... High frequency power supply for ion focusing, 160 ... High impedance connection means, 161 ... DC power supply 162 ... ion branch 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, 175 ... ion branch partial electrode, 176 ... ion branch Control power supply.