イオンビーム制御装置および該方法
【課題】イオンビームにおけるエネルギー拡がりの大きさおよび動径方向の大きさを制御し得るイオンビーム制御装置および制御方法を提供する。
【解決手段】イオンビーム制御装置Ｓａは、イオンビーム生成部２、生成されたイオンビームＩＢが入射され、所定の大きさのエネルギー拡がりおよび動径方向における所定の大きさの直径でイオンビームＩＢが射出されるように、制御するイオンビーム制御部１ａを備える。イオンビーム制御部１ａでは、所定の大きさのエネルギーにおける存在確率が増加するような高周波電場による位相回転を少なくとも利用する。
【解決手段】イオンビーム制御装置Ｓａは、イオンビーム生成部２、生成されたイオンビームＩＢが入射され、所定の大きさのエネルギー拡がりおよび動径方向における所定の大きさの直径でイオンビームＩＢが射出されるように、制御するイオンビーム制御部１ａを備える。イオンビーム制御部１ａでは、所定の大きさのエネルギーにおける存在確率が増加するような高周波電場による位相回転を少なくとも利用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオンビームを制御することができるイオンビーム制御装置およびイオンビーム制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１２は、従来のイオンビーム制御装置の構成を示す図である。図１３は、イオンビームのエネルギーに対する強度分布を示す図である。図１３（Ａ）は、パルスレーザの照射によって生成されたイオンビームのエネルギーに対する強度分布を示す模式図であり、図１３（Ｂ）は、イオンビーム制御装置によって制御されたイオンビームのエネルギーに対する強度分布を示す模式図であり、そして、図１３（Ｃ）は、その実験結果を示す図である。図１３（Ａ）〜（Ｃ）の横軸は、エネルギー（energy）を示し、それらの縦軸は、イオンビームの強度、すなわち、イオンの存在確率を示す。図１３（Ｃ）の横軸の単位は、ＭｅＶであり、その縦軸の単位は、１０９／ｓｒ／ｓｈｏｔ／１００ｋｅＶである。
【０００３】
図１２に示すように、固体薄膜ＭＦにパルス状のレーザ光（パルスレーザ光）ＰＬが照射されると、パルスレーザ光ＰＬによって固体薄膜ＭＦが加熱され、ビーム状のイオン（イオンビーム）ＩＢが生成される。このイオンビームＩＢにおけるエネルギーに対する強度分布（エネルギースペクトル）は、図１３（Ａ）に示すように、低エネルギー側に強度（イオンの存在確率）のピークが形成された後、エネルギーの増大と共に強度が指数関数的に減少する。このため、ユーザが所定のエネルギーを持ったイオンビームＩＢを利用したい場合、所定の強度が得られない場合があり、イオンビームＩＢを利用する上で不都合であった。
【０００４】
そこで、図１２に示すイオンビーム制御装置１０００を用いてイオンビームＩＢにおけるエネルギーに対する強度分布を高周波電場による位相回転によって制御することが提案されている（非特許文献１、非特許文献２）。図１２に示すイオンビーム制御装置１０００は、円筒形状の筐体１００１と、高周波の電場Ｅ（ｔ）を生成する高周波電場生成部１００２（１００２−１〜１００２−３）とを備える。高周波電場生成部１００２は、イオンビームＩＢが通過すると共に当該イオンビームＩＢに高周波電場Ｅ（ｔ）が作用するように配置された円筒形状の３個の第１ないし第３電場生成部材１００２−１〜１００２−３を備えて構成される。第１ないし第３電場生成部材１００２−１〜１００２−３は、互いに所定の間隔が空くように、かつ互いに中心軸が一致するように、かつ第１ないし第３電場生成部材１００２−１〜１００２−３の中心軸と筐体１００１の中心軸とが互いに直交するように、筐体１００１の一側面から他側面へ連なるようにそれぞれ配設される。より詳細には、第１電場生成部材１００２−１は、筐体１００１の側面を貫通するように、かつ第１電場生成部材１００２−１の中心軸と筐体１００１の中心軸とが互いに直交するように筐体１００１の一側面に配設される。第２電場生成部材１００２−２は、第１電場生成部材１００２−１から所定の間隔を空けて第１電場生成部材１００２−１の中心軸と第２電場生成部材１００２−２の中心軸とが互いに一致するように、筐体１００１の上蓋内面から垂下する支持部材１００３によって支持されて筐体１００１内に配設される。第３電場生成部材１００２−３は、第２電場生成部材１００２−２から所定の間隔を空けて第２電場生成部材１００２−２の中心軸と第３電場生成部材１００２−３の中心軸とが互いに一致するように、かつ筐体１００１の側面を貫通するように、筐体１００１の前記一側面に対向する他側面に配設される。そして、筐体１００１および高周波電場生成部１００２には、図略の交流電源によって高周波（ＲＦ）の交流電圧が印加される。これによって、第１電場生成部材１００２−１と第２電場生成部材１００２−２との間における第１空間（第１ギャップ）Ｇ１、および、第２電場生成部材１００２−２と第３電場生成部材１００２−３との間における第２空間（第２ギャップ）Ｇ２にそれぞれ高周波電場Ｅ（ｔ）が生成される。
【０００５】
このような構成のイオンビーム制御装置１０００では、高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転によって、図１３（Ｂ）に示すように、イオンビームＩＢの或るエネルギーにおいて、強度のピークＰＫを生成することができる。これは、図１３（Ｃ）に示すように、実験によっても確認されている。図１３（Ｃ）の△は、位相回転がない場合における実験結果であり、□は、位相回転が８０度の場合における実験結果であり、そして、■は、位相回転が２１５度の場合における実験結果である。位相回転がない場合では、エネルギーの増大と共に強度がなだらかに減少しているが、８０度や２１５度のように位相回転がある場合では、複数の強度のピークが形成されている。
【０００６】
これは、次のように説明される。図１４は、イオンビームの位相回転を説明するための図である。図１４の横軸は、高周波電場の位相（phase）を示し、その縦軸は、高周波電場Ｅ（ｔ）の強度を示す。
【０００７】
パルスレーザ光ＰＬによって生成されたイオンビームＩＢは、図１３（Ａ）に示すように、様々なエネルギーを持つ複数のイオンによって構成されており、エネルギーの高いイオンは、エネルギーの低いイオンに較べて早く第１ギャップＧ１に到達する。したがって、図１４に示すように、強度のピークを形成しようとしているエネルギーを持ったイオンＰａを基準とすると、このイオンＰａよりも高いエネルギーを持ったイオンＰｂは、このイオンＰａよりも早く第１ギャップＧ１に到達し、このイオンＰａよりも低いエネルギーを持ったイオンＰｃは、このイオンＰａよりも遅く第１ギャップＧ１に到達することになる。このため、イオンＰａよりも高いエネルギーを持ったイオンＰｂをイオンＰａよりも小さいエネルギーだけ加速するように、そして、イオンＰａよりも低いエネルギーを持ったイオンＰｃをイオンＰａよりも大きいエネルギー分加速するように、高周波電場Ｅ（ｔ）をイオンビームに作用させ、さらに、第１ギャップＧ１および第２ギャップＧ２において同一の位相で高周波電場Ｅ（ｔ）がイオンＰａに作用するように第１ギャップＧ１と第２ギャップＧ２との間の距離Ｌを設定すると、イオンＰｂのエネルギーおよびイオンＰｃのエネルギーがそれぞれイオンＰａのエネルギーに近づく。この結果、イオンＰａのエネルギーに強度のピークＰＫを形成することができる。このような高周波電場Ｅ（ｔ）を用いてイオンビームＩＢのエネルギー広がりを圧縮することを高周波電場による位相回転と呼称している。
【０００８】
一方、このようなイオンビームＩＢの適用例としては、例えば、イオンビームＩＢを照射することで微量元素を注入することにより表面改質を行う表面処理技術や、イオンビームＩＢを照射することによって癌細胞にダメージを与える粒子線治療等がある。一般に、Ｘ線やγ線等の放射線および中性子線では、体内の比較的浅い部位で線量が最大となり、徐々に線量が減少していく。このため、放射線や中性子線では、癌周辺の正常細胞にもダメージを与えてしまう。これに対し、陽子線や炭素イオン線等の粒子線では、体表面では線量が比較的少なく、深部で最大線量（Bragg peak、ブラッグピーク）となり、それより深部ではほとんど線量がゼロになるという特徴がある。そのため、粒子線では、このブラックピークを癌の病変部に合わせて照射すれば、深さ方向における周囲の正常細胞にあまり影響を与えることなく、癌細胞にダメージを与えることができる。従来、このような粒子線治療を行うためには、サイクロトロンやシンクロトロン等の比較的大掛かりな加速器が必要であった。
【非特許文献１】A.Noda et al.,Bean Science of Technology,Nol.6,2001.PP21-23
【非特許文献２】A.Noda et al.,Laser Physics 2006,Vol.16,No.4,PP647-653
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上述のイオンビーム制御装置１０００では、所定のエネルギーに強度のピークＰＫを形成する制御を行うことができるが、イオンビームＩＢが動径方向（進行方向に対し垂直な方向）に発散してしまうという不都合が生じた。また、第１ないし第３電場生成部材１００２−１〜１００２−３に一定以上の高電圧を印加すると静電破壊を生じるため、第１ないし第３電場生成部材１００２−１〜１００２−３に印加可能な電圧が制限される結果、高エネルギーのイオンビームＩＢの位相回転ができないという不都合も生じた。
【００１０】
特に、イオンビームＩＢの利用を考えると、イオンビームＩＢにおけるエネルギー拡がりの大きさおよび動径方向における大きさの制御（動径方向の収束）が望まれ、また、高エネルギー化が望まれる。
【００１１】
本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、イオンビームにおけるエネルギー拡がりの大きさおよび動径方向の大きさを制御することができるイオンビーム制御装置およびイオンビーム制御方法を提供することを目的とする。また、イオンビームにおけるエネルギーの大きさおよび動径方向の大きさを制御することができ、比較的高エネルギーのイオンビームを生成することができるイオンビーム制御装置およびイオンビーム制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様に係るイオンビーム制御装置は、イオンビームが入射され、所定の大きさのエネルギー拡がりおよび動径方向における所定の大きさの直径で前記イオンビームが射出されるように、前記所定の大きさのエネルギーにおける存在確率が増加するような高周波電場による位相回転を少なくとも利用することによって前記イオンビームを制御するイオンビーム制御部を備えることを特徴とする。そして、本発明の他の一態様に係るイオンビーム制御方法は、イオンビームが入射される工程と、所定の大きさのエネルギーにおける存在確率が増加するように高周波電場による位相回転によって前記イオンビームの存在確率を制御する工程と、前記所定の大きさのエネルギーおよび動径方向における所定の大きさの直径となるように、前記イオンビームのエネルギー拡がりおよび動径方向の直径を制御する工程とを備えることを特徴とする。
【００１３】
このような構成のイオンビーム制御装置およびイオンビーム制御方法では、高周波電場による位相回転によって所望のエネルギーに強度のピークが形成される。このため、このような構成のイオンビーム制御装置およびイオンビーム制御方法は、この強度のピークを切り出すことによって、イオンビームにおけるエネルギー拡がりの大きさおよび動径方向の大きさを制御することができる。
【００１４】
また、上述のイオンビーム制御装置において、前記イオンビーム制御部は、前記イオンビームが入射され、前記高周波電場による位相回転を行うギャップを備える高周波共振器と、前記高周波共振器から射出されたイオンビームが入射され、該入射されたイオンビームを前記所定の大きさのエネルギー拡がりおよび前記動径方向における所定の大きさの直径で射出するコリメータとを備えることを特徴とする。前記ギャップは、単一または複数を含む。
【００１５】
このような構成のイオンビーム制御装置では、高周波共振器によって、所望のエネルギーに強度のピークが形成され、そして、コリメータによって、この強度のピークが切り出される。これにより、このような構成のイオンビーム制御装置は、イオンビームＩＢにおけるエネルギー拡がりの大きさおよび動径方向の大きさを制御することができる。
【００１６】
さらに、上述のイオンビーム制御装置において、前記イオンビーム制御部は、前記イオンビームが入射され、前記高周波電場による位相回転を行う複数のギャップを備え、隣り合うギャップにおける高周波電場の位相が１８０度ずれている多重ギャップ高周波共振器を備えることを特徴とする。
【００１７】
このような構成のイオンビーム制御装置では、多重ギャップ高周波共振器によって、所定の大きさのエネルギーにおける存在確率が増加するような高周波電場による位相回転が複数回繰り返される。これにより、このような構成のイオンビーム制御装置は、イオンビームにおけるエネルギー拡がりの大きさおよび動径方向の大きさを制御することができる。さらに、高周波電場による位相回転が複数回繰り返されるので、イオンビームの高エネルギー化を図ることもできる。
【００１８】
そして、これら上述のイオンビーム制御装置において、前記イオンビーム制御部に入射されるイオンビームを生成するイオンビーム生成部をさらに備えることを特徴とする。このイオンビーム生成部は、パルスレーザ光を固体薄膜に照射することによってイオンビームを生成するレーザ生成イオンビーム生成装置であることが好ましい。
【００１９】
このような構成のイオンビーム制御装置では、イオンビームを生成するイオンビーム生成部をさらに備えたイオンビーム制御装置が提供され、イオンビーム生成部を別途に用意する必要がない。
【００２０】
また、この上述のイオンビーム制御装置において、前記高周波電場の周波数は、前記パルスレーザ光の周波数の整数倍であることを特徴とする。
【００２１】
このような構成のイオンビーム制御装置では、高周波電場の周波数がパルスレーザ光の周波数の整数倍であるので、高周波電場の位相とパルスレーザ光のタイミングとを制御する場合に、その制御が容易となる。この結果、制御装置が簡易化される。
【００２２】
さらに、これら上述のイオンビーム制御装置において、前記イオンビームの入射方向における電場方向が転換するタイミングで前記イオンビームが前記ギャップの中心位置に入射されるように、前記イオンビーム制御部における前記高周波電場の位相と前記イオンビーム生成部におけるイオンビームの生成タイミングとの同期を制御する同期制御部をさらに備えることを特徴とする。
【００２３】
このような構成のイオンビーム制御装置では、同期制御部によって同期が制御されるので、高周波電場が形成する、イオンビームの入射方向における電場方向が転換するタイミングでイオンビームがギャップの中心位置に入射される。例えば、イオンビームが正イオンのビームである場合では、電場方向がイオンビームの入射方向の逆方向から該入射方向へ転換するタイミングでイオンビームがギャップの中心位置に入射されるように、同期が制御される。イオンビームにおけるイオンの極性に応じた電場方向の転換タイミングでイオンビームがギャップの中心位置に入射されるように、同期が制御される。このため、効率よく、所望のエネルギーにおける存在確率を増大させ、収束度合いを増大させることができる。
【００２４】
そして、本発明の他の一態様に係るイオンビーム制御方法は、イオンビームが入射される工程と、前記所定の大きさのエネルギー拡がりおよび動径方向における所定の大きさの直径となるように、前記所定の大きさのエネルギーにおける存在確率が増加するような高周波電場による位相回転を複数繰り返す工程とを備えることを特徴とする。
【００２５】
このような構成のイオンビーム制御方法では、所定の大きさのエネルギーにおける存在確率が増加するような高周波電場による位相回転が複数回繰り返される。これにより、このような構成のイオンビーム制御方法は、イオンビームにおけるエネルギー拡がりの大きさおよび動径方向の大きさを制御することができる。さらに、高周波電場による位相回転が複数回繰り返されるので、イオンビームの高エネルギー化を図ることもできる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明に係るイオンビーム制御装置およびイオンビーム制御方法は、イオンビームにおけるエネルギー拡がりの大きさおよび動径方向の大きさを制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。
（第１の実施形態）
図１は、実施形態におけるイオンビーム制御装置の構成を示す図である。図２は、第１の実施形態におけるイオンビーム制御部の構成を示す図である。
【００２８】
図１および図２において、イオンビーム制御装置Ｓａは、イオンビームＩＢにおけるエネルギー拡がりの大きさおよび動径方向（イオンビームＩＢの進行方向に直交する方向）の大きさを制御する装置であり、例えば、本実施形態では、イオンビームＩＢが入射され、予め設定された所定の大きさのエネルギー拡がりおよび予め設定された所定の大きさの動径方向における直径でイオンビームＩＢが射出されるように、この所定の大きさのエネルギーにおける存在確率が増加するような高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転を少なくとも利用することによってイオンビームＩＢを制御するイオンビーム制御部１ａと、イオンビーム制御部１ａに入射されるイオンビームＩＢを生成するイオンビーム生成部２と、高周波電場Ｅ（ｔ）の、イオンビームＩＢの入射方向における電場方向が転換するタイミングでイオンビームＩＢがイオンビーム制御部１における後述のギャップＧの中心位置に入射されるように、イオンビーム制御部１ａにおける高周波電場Ｅ（ｔ）の位相とイオンビーム生成部２におけるイオンビームＩＢの生成タイミングとの同期を制御する同期制御部３とを備えて構成される。
【００２９】
イオンビーム制御部１ａは、例えば、本実施形態では、図２に示すように、イオンビームＩＢが入射され、所定の大きさのエネルギーにおける存在確率が増加するような高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転を行うギャップを２個備える二重ギャップ高周波共振器１１ａと、二重ギャップ高周波共振器１１ａから射出されたイオンビームＩＢが入射され、この入射されたイオンビームＩＢを所定の大きさのエネルギー拡がりおよび所定の大きさの動径方向における直径で射出するコリメータ１２とを備えて構成される。図２では、二重ギャップ高周波共振器１１ａは、縦断面図で示されている。
【００３０】
二重ギャップ高周波共振器１１ａは、例えば、本実施形態では、円筒形状の筐体１１１ａと、高周波の電場Ｅ（ｔ）を生成する高周波電場生成部１１２ａ（１１２ａ−１〜１１２ａ−３）と、高周波（ＲＦ）の交流電源１１５ａとを備える。
【００３１】
なお、本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。
【００３２】
高周波電場生成部１１２ａは、イオンビームＩＢが通過すると共に当該イオンビームＩＢに高周波電場Ｅ（ｔ）が作用するように配置された円筒形状の３個の第１ないし第３電場生成部材１１２ａ−１〜１１２ａ−３を備えて構成される。第１ないし第３電場生成部材１１２ａ−１〜１１２ａ−３は、互いに所定の距離ｇが空くように、かつ互いに中心軸が一致するように、かつ第１ないし第３電場生成部材１１２ａ−１〜１１２ａ−３の中心軸と筐体１１１ａの中心軸とが互いに直交するように、筐体１１１ａの一側面から他側面へ連なるようにそれぞれ配設される。より詳細には、第１電場生成部材１１２ａ−１は、筐体１１１ａの側面を貫通するように、かつ第１電場生成部材１１２ａ−１の中心軸と筐体１１１ａの中心軸とが互いに直交するように筐体１１１ａの一側面に配設される。第２電場生成部材１１２ａ−２は、第１電場生成部材１１２ａ−１から所定の距離ｇを空けて第１電場生成部材１１２ａ−１の中心軸と第２電場生成部材１１２ａ−２の中心軸とが互いに一致するように、筐体１１１ａの上蓋内面から垂下するロッド形状の支持部材１１３ａによって支持されて筐体１１１ａ内に配設される。第３電場生成部材１１２ａ−３は、第２電場生成部材１１２ａ−２から所定の距離ｇを空けて第２電場生成部材１１２ａ−２の中心軸と第３電場生成部材１１２ａ−３の中心軸とが互いに一致するように、かつ筐体１１１ａの側面を貫通するように、筐体１１１ａの前記一側面に対向する他側面に配設される。第１ないし第３電場生成部材１１２ａ−１〜１１２ａ−３における筐体１１１ａの上蓋からの配設位置は、高周波電場Ｅ（ｔ）の周波数（波長）に基づいて二重ギャップ高周波共振器１１ａが共振器を構成するように適宜に設定される。
【００３３】
高周波電場生成部１１２ａがこのように構成されることによって、第１電場生成部材１１２ａ−１と第２電場生成部材１１２ａ−２との間における第１空間（第１ギャップ）Ｇ１が形成され、そして、第２電場生成部材１１２ａ−２と第３電場生成部材１１２ａ−３との間における第２空間（第２ギャップ）Ｇ２が形成される。
【００３４】
第２電場生成部材１１２−２の長さＬは、（Ｌ＋ｇ）が高周波電場Ｅ（ｔ）の１／２周期（半周期）の奇数倍の時間に、形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーを持ったイオンの速度を乗じた値に等しくなるように設定される。イオンの速度は、イオンの持つエネルギーから求められる。このように第２電場生成部材１１２−２の長さＬが設定されると、形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーを持ったイオンは、第１ギャップＧ１の電場Ｅ（ｔ）と第２ギャップの電場Ｅ（ｔ）とのそれぞれから同一の位相で電場Ｅ（ｔ）の作用を受けることになる。
【００３５】
第１および第２ギャップＧ１、Ｇ２の距離ｇは、形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーを持ったイオンが２個のギャップの飛行中において高周波電場Ｅ（ｔ）の位相を大きく変化させることなく（イオンの飛行中における高周波電場Ｅ（ｔ）の変化が実質的な影響を受けることがない程度に小さく）、かつ、静電破壊が生じることなく必要とされる電圧が印加可能な距離に設定される。
【００３６】
これら筐体１１１ａ、第１ないし第３電場生成部材１１２ａ−１〜１１２ａ−３および支持部材１１３ａは、例えば金属（合金を含む）等の導体材料から形成されており、例えば、本実施形態は、導電特性や加工性等の観点から銅を用いて形成されている。
【００３７】
交流電源１１５ａは、その一方端子が筐体１１１ａに接続されると共に、その他方端子が筐体１１１ａに穿設された貫通孔１１４ａを介して筐体１１１ａ内部に設置され、高周波の交流電圧が印加される。貫通孔１１４ａには、絶縁部材が充填され、前記他方端子と筐体１１１ａとは、絶縁されている。これによって第１および第２ギャップＧ１、Ｇ２のそれぞれに高周波電場Ｅ（ｔ）が半周期ずれて生成される。交流電源１１５ａは、同期制御部３からの同期信号によって高周波電場Ｅ（ｔ）の位相が制御される。
【００３８】
コリメータ１２は、本実施形態では、例えば、磁場を生成しイオンビームＩＢに磁場を作用させる磁場生成部１２１と、貫通孔１２２１が形成された透過遮断部１２２とを備えて構成される。透過遮断部１２２は、磁場生成部１２１で磁場の作用を受けたイオンビームＩＢの進行方向に対して略垂直な方向Ｄに沿って移動可能に構成され、そして、貫通孔１２２１の直径が変更可能に構成されている。透過遮断部１２２は、重い元素によって構成される材料が好ましいが、加工の容易性や比較的低価格であることから、例えば、真鍮によって形成される。コリメータ１２は、例えば、マグネットスペクトログラフである。またコリメータ１２は、透過遮断部１２２の位置が固定され、磁場の強度が変更可能に構成されたマグネットスペクトロメータであってもよい。
【００３９】
図１に戻って、イオンビーム生成部２は、本実施形態では、例えば、パルス状のレーザ光（パルスレーザ光）ＰＬを固体薄膜２３に照射することによってイオンビームＩＢを生成するレーザ生成イオンビーム生成装置であり、例えば、パルスレーザ光ＰＬを発光して射出するレーザ光源２１と、レーザ光源２１から射出されたパルスレーザ光ＰＬを集光して固体薄膜２３へ射出する例えば放物面鏡等を備えて構成される光学系２２と、薄膜状に形成された固体材料から成る固体薄膜２３とを備えて構成される。固体薄膜２３は、例えば、チタン、タンタルおよびポリイミド等の材料から形成される。固体薄膜２３は、イオンビームＩＢをより良好に生成するためには、薄い方が好ましい。
【００４０】
イオンビーム生成部２は、イオンビームＩＢの発生点（略固体薄膜２３の配置位置）から二重ギャップ高周波共振器１１ａの第１電場生成部材１１２ａ−１にイオンビームＩＢが入射する位置までの距離が所定の長さとなるように配置される。イオンビームＩＢの時間的な拡がりは、発生直後は、極めて短く、飛行距離に応じて拡がる。この所定の長さは、このイオンビームＩＢの時間的な広がりが高周波電場Ｅ（ｔ）の１／２周期未満となるように設定される。
【００４１】
同期制御部３は、本実施形態では、例えば、イオンビーム生成部２のレーザ光源２１からパルスレーザ光ＰＬを照射する照射タイミングが通知され、この照射タイミングに基づいて、イオンビームＩＢの入射方向における電場Ｅ（ｔ）方向が転換するタイミングでイオンビームＩＢがイオンビーム制御部１ａに入射されるように、同期信号をイオンビーム制御部１ａの交流電源１１５ａへ通知し、イオンビーム制御部１ａにおける高周波電場Ｅ（ｔ）の位相とイオンビーム生成部２におけるイオンビームＩＢの生成タイミングとの同期を制御する回路である。
【００４２】
ここで、高周波電場Ｅ（ｔ）の周波数は、パルスレーザ光の周波数の整数倍に設定されている。このように高周波電場Ｅ（ｔ）の周波数が設定されることにより、上記のように、高周波電場Ｅ（ｔ）の位相とパルスレーザ光によって生成されたイオンビームＩＢにおける高周波電場Ｅ（ｔ）への進入タイミングとを制御する場合に、その制御が容易となる。このため、同期制御部３が簡易に構成可能となる。
【００４３】
次に、イオンビーム制御装置Ｓａの動作について説明する。
【００４４】
図３は、パルスレーザ光の発光タイミングと高周波電場の位相との関係を示す図である。図３の上段は、高周波電場Ｅ（ｔ）における電場の強度の時間変化を示し、その下段は、イオンビームＩＢの進入タイミングを示す。図４は、実験結果およびシミュレーション結果を示す図である。図４の実線は、実験結果を示し、その破線は、シミュレーション結果を示す。図５ないし図７は、第１の実施形態におけるイオンビーム制御装置によって制御されたイオンビームのエネルギースペクトルおよび所定のエネルギーにおける動径方向のイオン粒子分布を示す図（その１〜その３）である。図５は、高周波電場Ｅ（ｔ）の電圧（振幅）が５０ｋＶの場合であり、図６は、高周波電場Ｅ（ｔ）の電圧（振幅）が８０ｋＶの場合であり、そして、図７は、高周波電場Ｅ（ｔ）の電圧（振幅）が９０ｋＶの場合である。図５（Ａ）、図６（Ａ）および図７（Ａ）は、エネルギースペクトルを示し、その横軸は、ＭｅＶ単位で表すエネルギーであり、その縦軸は、強度（存在確率）である。図５（Ｂ）、（Ｃ）、図６（Ｂ）〜（Ｇ）および図７（Ｂ）、（Ｃ）は、イオン粒子分布を示し、その横軸および縦軸は、それぞれ、ＸＹＺ直交座標系において、イオンビームＩＢの進行方向をＺ軸とした場合におけるＸ軸およびＹ軸である。図５（Ｂ）は、０．８６６〜０．８７７ＭｅＶの場合であり、図５（Ｃ）は、０．８９〜０．９０ＭｅＶの場合である。図６（Ｂ）は、０．６５〜０．６８ＭｅＶの場合であり、図６（Ｃ）は、０．６８〜０．７０ＭｅＶの場合であり、図６（Ｄ）は、０．７０〜０．７２ＭｅＶの場合であり、図６（Ｅ）は、０．８３〜０．８６ＭｅＶの場合であり、図６（Ｆ）は、０．８６〜０．８９ＭｅＶの場合であり、図６（Ｇ）は、０．８９〜０．９２ＭｅＶの場合である。そして、図７（Ｂ）は、０．８２〜０．８４ＭｅＶの場合であり、図７（Ｃ）は、０．９２〜０．９４ＭｅＶの場合である。
【００４５】
イオンビーム生成部２のレーザ光源２１は、予め設定された所定のパルス幅を持ったパルスレーザ光ＰＬを予め設定された所定の周期で発光し、また、この発光のタイミングを同期制御部３へ通知する。レーザ光源２１から射出されたパルスレーザ光ＰＬは、光学系２２で収束され、スポットで固体薄膜２３に照射される。固体薄膜２３にパルスレーザ光ＰＬが照射されると、パルスレーザ光ＰＬのエネルギーによって固体薄膜２３が加熱され、固体薄膜２３を形成する物質や固体薄膜表面に吸着されている水等がプラズマ化され、まず、電子（ｅ−）が放出される。この電子に引かれてプロトン（Ｈ＋）が放出されて飛行し、プロトンのイオンビームＩＢが生成される。このような熱的過程によってイオンビームＩＢが生成されるため、このイオンビームＩＢのエネルギー分布は、マックスウェル分布に従い、図１３（Ａ）に示すように、エネルギーの増大に従って強度（イオンの存在確率）が指数関数的に減少するプロファイルとなる。例えば、パルスレーザ光ＰＬのパルス幅が約５０〜１００ｆｓの場合に、固体薄膜２３から放出される時点におけるイオンビームＩＢの時間的拡がりは、ピコ秒オーダ、例えば約１ｐｓとなる。
【００４６】
例えば、固体薄膜２３がチタンにより構成されている場合には、固体薄膜２３は、約３〜５μｍの厚みとされ、約３〜４ＴＷのパルスレーザ光ＰＬが直径約１０μｍのスポットで固体薄膜２３に照射される。また例えば、固体薄膜２３がタンタルにより構成されている場合には、固体薄膜２３は、約３〜５μｍの厚みとされ、約３〜４ＴＷのパルスレーザ光ＰＬが直径１０μｍのスポットで固体薄膜２３に照射される。また例えば、固体薄膜２３がポリイミドにより構成されている場合には、固体薄膜２３は、約７．５μｍの厚みとされ、約２０ＴＷのパルスレーザ光ＰＬが直径１０μｍのスポットで固体薄膜２３に照射される。
【００４７】
なお、ヒータ等の熱を発生する熱源によって固体薄膜２３を加熱することによりその表面に吸着されている水等を除去すること等によって、固体薄膜２３を形成する物質のイオンビームＩＢ、例えば炭素イオンのイオンビームＩＢが生成されると報告されている。
【００４８】
このように生成されたイオンビームＩＢは、イオンビーム制御部１ａに入射される。この入射されたイオンビームＩＢは、二重ギャップ高周波共振器１１ａに入射され、高周波電場生成部１１２ａで高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転が行われる。
【００４９】
より具体的には、まず、この入射されたイオンビームＩＢは、第１電場生成部材１１２ａ−１を介して第１ギャップＧ１に入射され、高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転が行われる。
【００５０】
ここで、高周波電場Ｅ（ｔ）の位相は、形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーよりも高いエネルギーを持ったイオンビームＩＢのイオンが高周波電場Ｅ（ｔ）から受ける作用によって減速し、形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーを持ったイオンビームＩＢのイオンが高周波電場Ｅ（ｔ）から作用を受けることなく、そして、形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーよりも低いエネルギーを持ったイオンビームＩＢのイオンが高周波電場Ｅ（ｔ）から受ける作用によって加速するように、イオンビームＩＢの第１ギャップＧ１への入射タイミングと同期される。本実施形態では、図３に示すように、イオンビームＩＢのイオン（プロトン）が正電荷を持つため、高周波電場Ｅ（ｔ）の正方向をイオンビームＩＢの進行方向（第１電場生成部材１１２ａ−１から第２電場生成部材１１２ａ−２へ向かう方向）とすると、イオンビームＩＢが第１ギャップＧ１の中心を通過するタイミングで正弦波の高周波電場Ｅ（ｔ）が負から正に切り換わるように、高周波電場Ｅ（ｔ）の位相が制御される。高周波電場Ｅ（ｔ）の位相がこのように制御されるように、同期制御部３は、レーザ光源２１からの発光タイミングの通知に基づいて同期信号を二重ギャップ高周波共振器１１ａの交流電源１１５ａへ通知する。なお、イオンビームＩＢのイオンが負電荷である場合には、イオンビームＩＢが第１ギャップＧ１の中心を通過するタイミングで正弦波の高周波電場Ｅ（ｔ）が正から負に切り換わるように、高周波電場Ｅ（ｔ）の位相が制御される。
【００５１】
また、第１ギャップＧ１に入射される前（位相回転する前）におけるイオンの状態を表すベクトルをＳｂ、第１ギャップＧ１から射出された後（位相回転後）におけるイオンの状態を表すベクトルをＳａとすると、Ｓａ＝Ｆ・Ｓｂと表され、この式の位相回転マトリクスＦは、式１のように表される。
【００５２】
【数１】
【００５３】
ここで、ｋｒおよびｋｚは、式２および式３のようにそれぞれ表される。
【００５４】
【数２】
【００５５】
【数３】
【００５６】
ここで、ｑは、イオンの電荷量、Ｖ０は、ギャップＧに印加される電圧、Ｔは、トランジェットタイムファクタ、ｇは、ギャップＧの距離、φｓは、前記形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーを持ったイオンビームＩＢのイオンがギャップの中間位置を通過する際の高周波電場Ｅ（ｔ）の位相、ｍ０は、イオンの質量、ｃは、光速、βは、イオンの速度を光速で規格化した値（＝（イオンの速度）／（光速））、γは、ローレンツファクタ、ｆは、高周波電場Ｅ（ｔ）の周波数である。βおよびγの上付きのバーは、ギャップ中におけるその平均であることを示している。本実施形態では、ｑは、プロトンの電荷量であり、ｍ０は、プロトンの質量である。
【００５７】
この式１ないし式３によって計算（シミュレーション）した結果（図４の破線）と、実験結果（図４の実線）とを比較すると、図４に示すように、シミュレーション結果は、実験結果とよく一致しており、式１ないし式３は、イオンビームＩＢに作用する高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転をよく表している。
【００５８】
第１ギャップＧ１で位相回転したイオンビームＩＢは、第２電場生成部材１１２ａ−２を介して第２ギャップＧ２に入射され、高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転が行われる。この位相回転は、第１ギャップＧ１と同様に、上記式１ないし式３によって表される。
【００５９】
ここで、第１ギャップＧ１の距離ｇおよび第２電場生成部材１１２−２の長さＬが上述のように設定されている。このため、第２ギャップＧ２の中間位置をイオンビームＩＢにおける前記形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーを持ったイオンが通過した際における高周波電場Ｅ（ｔ）の位相は、第１ギャップＧ１の中間をイオンビームＩＢにおける前記形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーを持ったイオンが通過した際における高周波電場Ｅ（ｔ）の位相と同じになる。このため、第２ギャップＧ２に入射したイオンビームＩＢは、高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転によってこの形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーでさらにエネルギーが圧縮される。
【００６０】
そして、二重ギャップ高周波共振器１１で位相回転したイオンビームＩＢは、コリメータ１２に入射され、この入射されたイオンビームＩＢは、コリメータ１２でこの強度のピークに対応するエネルギーを持つイオンが選別され、さらに、所定の大きさの直径にされ、射出される。
【００６１】
より具体的には、コリメータ１２に入射したイオンビームＩＢは、まず、磁場生成部１２１に入射され、イオンビームＩＢの各イオンは、その運動量に応じて磁場によって進行方向（軌道）が曲げられ、図２に示すように、軌道ｂ１〜ｂ３に広がって透過遮断部１２２へ向かって飛行する。この磁場によって進行方向の曲げられる大きさは、運動量の大きいイオンでは小さく（軌道ｂ１）、運動量の小さいイオンでは大きい（軌道ｂ３）。このため、形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーを持ったイオンの軌道ｂ２上に透過遮断部１２２の貫通孔１２２１が配置されるように、透過遮断部１２２を配置することによって、形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーを持ったイオンのみが選別され、コリメータ１２から射出されることになる。そして、貫通孔１２２１の直径を前記所定の大きさに設定することによって、この所定の大きさの直径でイオンビームＩＢがコリメータ１２から射出される。
【００６２】
このように動作することにより、イオンビーム制御装置Ｓａは、イオンビームＩＢにおけるエネルギー拡がりの大きさおよび動径方向の大きさを制御することができる。
【００６３】
式１ないし式３を用いて５０ｋＶ、８０ｋＶおよび９０ｋＶの各場合についてエネルギースペクトルをシミュレーションすると、各エネルギースペクトルは、図５（Ａ）、図６（Ａ）および図７（Ａ）にそれぞれ示すように、複数のピーク（以下、「グローバルピーク」と呼称する。）を持ち、各ピークが２つのピーク（以下、「ローカルピーク」と呼称する。）に分かれるプロファイルとなっている。なお、シミュレーションに当たって、イオンビームＩＢの発生位置（固体薄膜２３の配置位置）から二重ギャップ高周波共振器１１ａの第１電場生成部材１１２ａ−１へイオンビームＩＢが入射する位置までの距離は、１ｍに設定された。高周波電場Ｅ（ｔ）の周波数は、８０ＭＨｚ近辺のレーザ光源２１におけるマスタオシレータの周波数に設定され、第２電場生成部材１１２ａ−１の長さＬは、１０ｃｍに設定され、第１および第２ギャップＧ１、Ｇ２は、２ｃｍに設定された。
【００６４】
例えば、高周波電場Ｅ（ｔ）の電圧が５０ｋＶの場合であってエネルギーが０．８６６〜０．８７７ＭｅＶの場合では、図５（Ｂ）に示すように、イオンビームＩＢは、直径約０．０６ｍの一様な径を形成する。また例えば、高周波電場Ｅ（ｔ）の電圧が５０ｋＶの場合であってエネルギーが０．８９〜０．９０ＭｅＶの場合では、図５（Ｃ）に示すように、イオンビームＩＢは、直径約０．０７ｍ以内の領域に分布するが、その中心にエネルギー密度が高い直径約０．０４ｍの収束部位が見られる。エネルギーが０．８６６〜０．８７７ＭｅＶの場合とエネルギーが０．８９〜０．９０ＭｅＶの場合とは、同一のグローバルピークに属するが、グローバルピークでもエネルギーによっては、エネルギー密度が高い収束部位が発生する。
【００６５】
また例えば、高周波電場Ｅ（ｔ）の電圧が８０ｋＶの場合であってエネルギーが０．６５〜０．６８ＭｅＶの場合では、図６（Ｂ）に示すように、イオンビームＩＢは、一様な直径約０．０６ｍの分布を示す。また例えば、高周波電場Ｅ（ｔ）の電圧が８０ｋＶの場合であってエネルギーが０．６８〜０．７０ＭｅＶの場合では、図６（Ｃ）に示すように、イオンビームＩＢは、直径約０．０８ｍの分布を示すが、その中心にエネルギー密度が高い直径約０．０３ｍの収束部位が見られる。また例えば、高周波電場Ｅ（ｔ）の電圧が８０ｋＶの場合であってエネルギーが０．７０〜０．７２ＭｅＶの場合では、図６（Ｄ）に示すように、イオンビームＩＢは、直径約０．０７ｍの分布を示すが、その中心にエネルギー密度が高い直径約０．０２ｍの収束部位が見られる。エネルギーが０．６５〜０．６８ＭｅＶの場合とエネルギーが０．６８〜０．７０ＭｅＶの場合とエネルギーが０．７０〜０．７２ＭｅＶの場合とは、同一のグローバルピークに属するが、グローバルピークでもエネルギーによっては、エネルギー密度が高い収束部位が発生する。そして、エネルギーが高い方が、収束度合いがより高くなる傾向にある。
【００６６】
また例えば、高周波電場Ｅ（ｔ）の電圧が８０ｋＶの場合であってエネルギーが０．８３〜０．８６ＭｅＶの場合では、図６（Ｅ）に示すように、イオンビームＩＢは、エネルギー密度が一様な直径約０．０６ｍの分布を示す。また例えば、高周波電場Ｅ（ｔ）の電圧が８０ｋＶの場合であってエネルギーが０．８６〜０．８９ＭｅＶの場合では、図６（Ｆ）に示すように、イオンビームＩＢは、直径約０．０８ｍの分布を示すが、その中心にエネルギー密度が高い直径約０．０４ｍの収束部位が見られる。また例えば、高周波電場Ｅ（ｔ）の電圧が８０ｋＶの場合であってエネルギーが０．８９〜０．９２ＭｅＶの場合では、図６（Ｇ）に示すように、イオンビームＩＢは、直径約０．０８ｍの分布を示すが、その中心にエネルギー密度が高い直径約０．０３ｍの収束部位が見られる。エネルギーが０．８３〜０．８６ＭｅＶの場合とエネルギーが０．８６〜０．８９ＭｅＶの場合とエネルギーが０．８９〜０．９２ＭｅＶの場合とは、同一のグローバルピークに属するが、グローバルピークでもエネルギーによっては、エネルギー密度が高い収束部位が発生する。そして、この例では、エネルギーが高い方が、収束度合いがより高くなる傾向にある。
【００６７】
例えば、高周波電場Ｅ（ｔ）の電圧が９０ｋＶの場合であってエネルギーが０．８２〜０．８４ＭｅＶの場合では、図７（Ｂ）に示すように、イオンビームＩＢは、エネルギー密度が一様な直径約０．０６ｍの分布を示す。また例えば、高周波電場Ｅ（ｔ）の電圧が９０ｋＶの場合であってエネルギーが０．９２〜０．９４ＭｅＶの場合では、図７（Ｃ）に示すように、イオンビームＩＢは、直径約０．０８ｍの分布を示すが、その中心にエネルギー密度が高い直径約０．０２ｍの収束部位が見られる。エネルギーが０．８２〜０．８４ＭｅＶの場合とエネルギーが０．９２〜０．９４ＭｅＶの場合とは、同一のグローバルピークに属するが、グローバルピークでもエネルギーによっては、エネルギー密度が高い収束部位が発生する。
【００６８】
このような収束部位が生じるのは、イオンビームＩＢのイオンが正電荷であって、イオンビームＩＢが第１ギャップＧ１の中心位置を通過するタイミングにおいて正弦波の高周波電場Ｅ（ｔ）が正から負に切り換わる場合には、第１ギャップＧ１に生じる電場Ｅ（ｔ）の電気力線が、図２に示すように、第１ギャップＧ１の中央付近で絞られるような曲線であるため、イオンビームＩＢの進行方向において、第１ギャップＧ１の一方端からギャップＧ１の中央付近までは、イオンビームＩＢの中心へ向かう電場Ｅ（ｔ）の成分が生じると共に、第１ギャップＧ１の中央付近から第１ギャップＧ１の他方端までも、高周波電場Ｅ（ｔ）の向きが反転するため、外からイオンビームＩＢの中心に向かう電場Ｅ（ｔ）の成分が生じるため、イオンビームＩＢの中心へ向かって収束するためである。第２ギャップＧ２についても同様である。なお、この場合には、エネルギーのピークは、形成されずに拡がる方向になる。
【００６９】
そして、比較的小さい直径のイオンビームＩＢを利用する場合には、コリメータ１２の遮断透過部１２２における貫通孔１２２１の直径を収束部位の直径以下に調整することにより収束部位をコリメータ１２で選択的に取り出すことによって、エネルギー密度が一様なイオンビームＩＢを利用するよりも、収束部位を持つイオンビームＩＢを利用する方が、よりエネルギー密度の高いイオンビームＩＢを利用することができる。例えば、エネルギーが０８６〜０．９ＭｅＶであって直径０．０４ｍ以下のイオンビームＩＢを利用する場合、エネルギーが０．８６６〜０．８７７ＭｅＶのイオンビームＩＢを利用するよりも、収束部位を持つエネルギーが０．８９〜０．９０ＭｅＶのイオンビームＩＢを利用する方が、よりエネルギー密度が高くなる。また、コリメータ１２の遮断透過部１２２における貫通孔１２２１の直径を収束部位の直径と一致するように調整することによって、効果的にエネルギー密度の高いイオンビームＩＢを生成することができる。
【００７０】
なお、上述のイオンビームＩＢの生成およびイオンビームＩＢの制御は、予め設定された所定の真空度の真空中で行われる。このため、例えば、イオンビーム制御部１ａおよびイオンビーム生成部２は、図略の真空チャンバ内に収納され、真空ポンプによって前記所定の真空度となるように排気される。
【００７１】
また、上述の実施形態では、イオンビーム制御部１ａにおけるイオンビームＩＢに電場を作用させ位相回転を行う高周波共振器は、高周波電場Ｅ（ｔ）を形成する２個のギャップを備える二重ギャップ高周波共振器１１ａで構成されたが、高周波電場Ｅ（ｔ）を形成する１個のギャップを備えるシングルギャップ高周波共振器や、高周波電場Ｅ（ｔ）を形成する３個以上のギャップを備える多重ギャップ高周波共振器であってもよい。このような高周波共振器を備えたイオンビーム制御装置Ｓａによっても同様にイオンビームＩＢにおけるエネルギー拡がりの大きさおよび動径方向の大きさが制御可能となる。
【００７２】
次に、別の実施形態について説明する。
（第２の実施形態）
イオンビームＩＢに作用する高周波電場Ｅ（ｔ）は、静電破壊のため、一定の限界があり、また、第１の実施形態では、この高周波電場Ｅ（ｔ）が生成されるギャップは、２個であるため、イオンビームＩＢの高エネルギー化に限界があった。第２の実施形態におけるイオンビーム制御装置は、ギャップを３個以上設けることにより、イオンビームＩＢの一層の高エネルギー化を図るものである。そして、ギャップが２個の二重ギャップ高周波共振器１１ａでは、イオンビームＩＢは、図５ないし図７に示すように、エネルギー密度が一様な状態で動径方向の直径が調整されるのではなくエネルギー密度の高い収束部位が存在する状態であるが、ギャップを複数設け、隣り合うギャップにおける高周波電場Ｅ（ｔ）の位相を１８０度ずらすことにより、イオンビームＩＢは、後述するように、エネルギー密度が一様な状態で動径方向の直径が調整される。
【００７３】
図８は、第２の実施形態におけるイオンビーム制御部の構成を示す図である。図８（Ａ）は、イオンビーム制御部における高周波電場生成部の構成を示す模式図であり、図８（Ｂ）は、イオンビーム制御部の構成を示す斜視図である。
【００７４】
第２の実施形態のイオンビーム制御装置Ｓｂは、イオンビーム制御部１ｂと、イオンビーム生成部２と、同期制御部３とを備えて構成される。すなわち、第２の実施形態のイオンビーム制御装置Ｓｂは、第１の実施形態のイオンビーム制御装置Ｓａにおけるイオンビーム制御部１ａの代わりに、イオンビーム制御部１ｂを用いるものである。このため、イオンビーム生成部２および同期制御部３の説明を省略する。
【００７５】
イオンビーム制御部１ｂは、図８に示すように、イオンビームＩＢが入射され、所定の大きさのエネルギーにおける存在確率が増加するような高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転を行うギャップを複数備え、隣り合うギャップにおける高周波電場Ｅ（ｔ）の位相を１８０度ずらしている多重ギャップ高周波共振器１１ｂを備えて構成される。図８に示す例では、多重ギャップ高周波共振器１１ｂ（イオンビーム制御部１ｂ）は、第１ないし第６ギャップＧ１〜Ｇ６の６個のギャップを備えている。
【００７６】
多重ギャップ高周波共振器１１ｂは、例えば、本実施形態では、円筒形状の筐体１１１ｂと、高周波の電場Ｅ（ｔ）を生成する高周波電場生成部１１２ｂ（１１２ｂ−１〜１１２ｂ−７）と、高周波（ＲＦ）の交流電源１１５ｂとを備える。
【００７７】
高周波電場生成部１１２ｂは、イオンビームＩＢが通過すると共に当該イオンビームＩＢに高周波の電場Ｅ（ｔ）が作用するように配置された円筒形状の７個の第１ないし第７電場生成部材１１２ｂ−１〜１１２ｂ−７を備えて構成される。第１ないし第７電場生成部材１１２ｂ−１〜１１２ｂ−７は、互いに所定の距離ｇが空くように、かつ互いに中心軸が一致するように、かつ第１ないし第７電場生成部材１１２ｂ−１〜１１２ｂ−７の中心軸と筐体１１１ｂの中心軸とが互いに一致するように、筐体１１１ｂの内面から長尺方向に所定の間隔を空けて垂下または立設するロッド形状の第１ないし第７支持部材１１３ｂ−１〜１１３ｂ−７によって支持されて筐体１１１ｂ内にその一端面から他端面へ連なるようにそれぞれ配設される。このような共振器は、その構造上の点において、ヴィデレー型共振器と同様の構造である。
【００７８】
高周波電場生成部１１２ｂがこのように構成されることによって、第１電場生成部材１１２ｂ−１と第２電場生成部材１１２ｂ−２との間における第１空間（第１ギャップ）Ｇ１が形成され、第２電場生成部材１１２ｂ−２と第３電場生成部材１１２ｂ−３との間における第２空間（第２ギャップ）Ｇ２が形成され、第３電場生成部材１１２ｂ−３と第４電場生成部材１１２ｂ−４との間における第３空間（第３ギャップ）Ｇ３が形成され、第４電場生成部材１１２ｂ−４と第５電場生成部材１１２ｂ−５との間における第４空間（第４ギャップ）Ｇ４が形成され、第５電場生成部材１１２ｂ−５と第６電場生成部材１１２ｂ−６との間における第５空間（第５ギャップ）Ｇ５が形成され、そして、第６電場生成部材１１２ｂ−６と第７電場生成部材１１２ｂ−７との間における第６空間（第６ギャップ）Ｇ６が形成される。
【００７９】
電場生成部材１１２ｂ、図８（Ａ）に示す位相回転空胴の例では、第２ないし第６電場生成部材１１２ｂ−２〜１１２ｂ−６の長さＬは、（Ｌ＋ｇ）が高周波電場Ｅ（ｔ）の１／２周期の偶数倍の時間に、形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーを持ったイオンの速度を乗じた値に等しくなるように設定される。第１および第７電場生成部材１１２ｂ−１、１１２ｂ−７は、上記第１空間（第１ギャップ）および上記第６空間（第６ギャップ）をそれぞれ形成するために必要な部材であり、任意の長さでよい。
【００８０】
このように第２ないし第６電場生成部材１１２ｂ−２〜１１２ｂ−６の長さＬが設定されると、この形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーを持ったイオンは、第１ないし第６ギャップＧ１〜Ｇ６の電場Ｅ（ｔ）のそれぞれから交互に１８０度（πラジアン）異なる位相で位相回転の作用を受けることになる。一般のヴィデレー型共振器では、隣り合うギャップＧの中心位置をイオンが通過する際に電場Ｅ（ｔ）の位相が同じになるように設定されるが、本実施形態に係る多重ギャップ高周波共振器１１ｂは、この点で異なり、本実施形態に係る多重ギャップ高周波共振器１１ｂでは、隣り合うギャップＧの中心位置をイオンが通過する際に電場Ｅ（ｔ）の位相が交互に１８０度ずつ変化するように設定される。後述するように、多重ギャップ高周波共振器１１ｂにアルバレ型共振器の構造を採用した場合も同様である。
【００８１】
第１ないし第６ギャップＧ１〜Ｇ６の距離ｇは、第１の実施形態の場合と同様に、形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーを持ったイオンがギャップの飛行中における高周波電場Ｅ（ｔ）の位相を大きく変化させることなく、かつ、静電破壊が生じることなく必要とされる電圧が印加可能な距離に設定される。
【００８２】
これら筐体１１１、電場生成部材１１２ｂおよび支持部材１１４ｂは、例えば金属（合金を含む）等の導体材料から形成されており、例えば、本実施形態は、導電特性や加工性等の観点から銅から形成されている。
【００８３】
交流電源１１５ｂは、その一方端子が筐体１１１ｂに接続されると共に、その他方端子が筐体１１１ｂに穿設された貫通孔１１４ｂを介して筐体１１１ｂ内に配置され、高周波の交流電圧が印加される。貫通孔１１４ｂには、絶縁部材が充填され、前記他方端子と筐体１１１ｂとは、絶縁されている。これによって第１ないし第６ギャップＧ１〜Ｇ６のそれぞれに高周波電場（Ｅ（ｔ））が順次に半周期ずつずれて生成される。交流電源１１５ｂは、同期制御部３からの同期信号によって高周波電場Ｅ（ｔ）の位相が制御される。
【００８４】
図９は、第２の実施形態におけるイオンビーム制御部の他の構成を示す図である。
【００８５】
なお、高周波電場Ｅ（ｔ）を形成する共振器の方式としては、上述の他に、例えば、図９に示すように、第１ないし第７電場生成部材１１２ｂ−１〜１１２ｂ−７が第１ないし第７支持部材１１３ｂ−１〜１１３ｂ−７によってすべて同一方向から立設（または垂下）される共振器であってもよい。このような共振器は、その構造上の点において、アルバレ型共振器と同様の構造である。このアルバレ型共振器構造による位相回転空胴の場合では、（Ｌ＋ｇ）が高周波電場Ｅ（ｔ）の１／２周期の奇数倍の時間に、形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーを持ったイオンの速度を乗じた値に等しくなるように、第２ないし第６電場生成部材１１２ｂ−２〜１１２ｂ−６の長さＬが設定される。このようなアルバレ型共振器は、ヴィデレー型共振器に較べて電場生成部材１１２ｂの長さＬを短くすることができ、共振器の小型化が可能となる。
【００８６】
次に、イオンビーム制御装置Ｓｂの動作について説明する。
【００８７】
図１０は、第２の実施形態におけるイオンビーム制御装置によって制御されたイオンビームのエネルギースペクトルおよび所定のエネルギーにおける動径方向のイオン粒子分布を示す図である。図１１は、比較例として、イオンビーム制御装置によって制御されたイオンビームのエネルギースペクトルおよび所定のエネルギーにおける動径方向のイオン粒子分布を示す図である。図１１は、隣り合うギャップＧの位相のみ図１０の場合と相違し、隣り合うギャップＧの位相が同一とされている場合である。図１０（Ａ）および図１１（Ａ）は、エネルギースペクトルを示し、その横軸は、ＭｅＶ単位で表すエネルギーであり、その縦軸は、強度（存在確率）である。図１０（Ｂ）および（Ｃ）ならびに図１１（Ｂ）および（Ｃ）は、イオン粒子分布を示し、その横軸および縦軸は、それぞれ、ＸＹＺ直交座標系において、イオンビームＩＢの進行方向をＺ軸とした場合におけるＸ軸およびＹ軸である。図１０（Ｂ）および図１１（Ｃ）は、位相回転させた場合であり、図１０（Ｃ）および図１１（Ｂ）は、位相回転のない場合である。
【００８８】
イオンビーム生成部２は、第１の実施形態と同様に、パルスレーザ光ＰＬを固体薄膜２３に照射することによってプロトン（Ｈ＋）のイオンビームＩＢを射出し、また、パルスレーザ光ＰＬの発光のタイミングを同期制御部３へ通知する。イオンビーム生成部２から射出されたイオンビームＩＢは、イオンビーム制御部１ｂに入射される。この入射されたイオンビームＩＢは、多重ギャップ高周波共振器１１ｂに入射され、高周波電場生成部１１２ｂで高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転が行われる。
【００８９】
より具体的には、まず、この入射されたイオンビームＩＢは、第１電場生成部材１１２ｂ−１を介して第１ギャップＧ１に入射され、高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転が行われる。
【００９０】
ここで、高周波電場Ｅ（ｔ）の位相は、第１の実施形態と同様に、形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーよりも高いエネルギーを持ったイオンビームＩＢのイオンが高周波電場Ｅ（ｔ）から受ける作用によって減速し、形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーを持ったイオンビームＩＢのイオンが高周波電場Ｅ（ｔ）から作用を受けることなく、そして、形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーよりも低いエネルギーを持ったイオンビームＩＢのイオンが高周波電場Ｅ（ｔ）から受ける作用によって加速するように、イオンビームＩＢの第１ギャップＧ１への入射タイミングと同期される。本実施形態では、イオンビームＩＢのイオンが正電荷を持つので、イオンビームＩＢがギャップの中心を通過するタイミングで正弦波の高周波電場Ｅ（ｔ）が負から正に切り換わるように、パルスレーザ光ＰＬが発光するタイミングに基づく同期制御部３の同期信号であって、交流電源１１５ｂへ通知された同期制御部３の同期信号によって高周波電場Ｅ（ｔ）の位相が制御される。
【００９１】
次に、この位相回転が行われたイオンビームＩＢは、第２電場生成部材１１２ｂ−２を介して第２ギャップＧ２に入射され、高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転が行われる。次に、この位相回転が行われたイオンビームＩＢは、第３電場生成部材１１２ｂ−３を介して第３ギャップＧ３に入射され、高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転が行われる。次に、この位相回転が行われたイオンビームＩＢは、第４電場生成部材１１２ｂ−４を介して第４ギャップＧ４に入射され、高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転が行われる。次に、この位相回転が行われたイオンビームＩＢは、第５電場生成部材１１２ｂ−５を介して第５ギャップＧ５に入射され、高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転が行われる。次に、この位相回転が行われたイオンビームＩＢは、第６電場生成部材１１２ｂ−６を介して第６ギャップＧ６に入射され、高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転が行われる。そして、この位相回転が行われたイオンビームＩＢは、第７電場生成部材１１２ｂ−７から射出され、イオンビーム制御部１１ｂから射出される。
【００９２】
イオンビーム制御部１１ｂに入射したイオンビームＩＢは、このように第１ないし第６ギャップＧ１〜Ｇ６で順次に高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転が行われる。第１ないし第６ギャップＧ１〜Ｇ６における高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転は、第１の実施形態と同様に、上記式１ないし式３によって表される。
【００９３】
ここで、第１ないし第６ギャップＧ１〜Ｇ６および第２ないし第６電場生成部材１１２ｂ−２〜１１２ｂ−６の各長さＬが上述のように設定されている。このため、高周波電場Ｅ（ｔ）の方向が負から正に切り換わるタイミングでイオンビームＩＢがギャップＧの中心位置を通過するように、イオンビームＩＢがギャップＧに進入する場合では、イオンビームＩＢのエネルギー拡がりが収束される一方でイオンビームＩＢの動径方向における大きさが拡がる。そして、次のギャップＧでは、高周波電場Ｅ（ｔ）の方向が正から負に切り換わるタイミングでイオンビームＩＢがギャップＧの中心位置を通過するように、イオンビームＩＢがギャップＧに進入する。この場合では、イオンビームＩＢのエネルギー拡がりが拡散される一方でイオンビームＩＢの動径方向における大きさが収束される。したがって、第１ないし第６ギャップＧ２〜Ｇ６に入射したイオンビームＩＢは、高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転によってこの形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーで、エネルギーの圧縮および緩和がギャップごとに順次に繰り返され、そして、その動径方向の大きさの発散および収束がギャップごとに順次に繰り返される。
【００９４】
このように動作することにより、結果的に、イオンビーム制御装置Ｓｂは、イオンビームＩＢにおけるエネルギー拡がりの大きさおよび動径方向の大きさを制御することができ、また、イオンビームＩＢを高エネルギーにすることができる。
【００９５】
なお、イオンビームＩＢのより高エネルギー化の観点からは、高周波電場Ｅ（ｔ）の方向が負から正に切り換わるタイミングよりもずれたタイミングでイオンビームＩＢがギャップＧの中心位置を通過するように、イオンビームＩＢがギャップＧに進入するようにイオンビーム制御装置Ｓｂが構成される方が好ましい場合もある。
【００９６】
式１ないし式３を用いてシミュレーションすると、エネルギースペクトルは、アルバレ型共振器構造では、図１０（Ａ）に示すように、エネルギーが９ＭｅＶ〜１１ＭｅＶの範囲で９．６ＭｅＶ付近、１０ＭｅＶ付近および１０．５ＭｅＶ付近に３個のピークを持ったプロファイルとなっている。９．６ＭｅＶ付近のピークは、２個のローカルピークからなっており、そのエネルギーは、１０＋７から約１．７×１０＋８へ約１７倍になっている。１０ＭｅＶ付近のピークは、単一のピークからなっており、そのエネルギーは、１０＋７から約３．３×１０＋８へ約３３倍になっている。そして、１０．５ＭｅＶ付近のピークは、２個のローカルピークからなっており、そのエネルギーは、１０＋７から約３×１０＋８へ約３０倍になっている。さらに、図１０（Ｂ）と図１０（Ｃ）を比較すると分かるように、例えば、１０ＭｅＶ付近のピークでは、エネルギー密度が一様な状態を維持しつつ動径方向の直径が高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転を行わない図１０（Ｃ）の場合（直径約０．０２４ｍの分布）に較べて高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転を行った図１０（Ｂ）の場合（直径約０．０２２ｍの分布）の方が小さく成っている。
【００９７】
これに対し、比較例として、隣り合うギャップＧにおける高周波電場Ｅ（ｔ）の位相を１８０度ずらすことなく、高周波電場Ｅ（ｔ）の位相が常に負から正へ転換するタイミングでイオンビームＩＢが各ギャップＧの中央位置を通過するように設定されている場合、すなわち、エネルギー圧縮のみを行う場合では、図１１に示すように、動径方向に発散している。
【００９８】
２００ＭｅＶで強度のピークを持つように多重ギャップ高周波共振器１１ｂを設計して式１ないし式３を用いてシミュレーションすると、エネルギースペクトルは、アルバレ型共振器構造では、図１１（Ａ）に示すように、エネルギーが１９０ＭｅＶ〜２１０ＭｅＶの範囲で単一のピークを持ったプロファイルとなっており、そのピークのエネルギーは、１０＋７から１０＋９へ１００倍になっている。そして、図１１（Ｂ）と図１１（Ｃ）を比較すると分かるように、そのピークでは、エネルギー密度が一様な状態を維持しつつ動径方向の直径が高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転を行わない図１１（Ｂ）の場合（直径約０．０２８ｍの分布）に較べて高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転を行った図１１（Ｃ）の場合（直径約０．０３２ｍの分布）の方が大きく成っている。
【００９９】
なお、シミュレーションに当たって、イオンビームＩＢの発生位置（固体薄膜２３の配置位置）から多重ギャップ高周波共振器１１ｂの第１電場生成部材１１２ｂ−１へイオンビームＩＢが入射する位置までの距離は、１ｍに設定された。高周波電場Ｅ（ｔ）の周波数は、１．６ＧＨｚに設定され、第２ないし第６電場生成部材１１２ｂ−２〜１１２ｂ−６の長さＬは、８．６２ｃｍに設定され、第１ないし第６ギャップＧ１〜Ｇ６は、２ｃｍに設定された。
【０１００】
本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更及び/又は改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。従って、当業者が実施する変更形態又は改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態又は当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】実施形態におけるイオンビーム制御装置の構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態におけるイオンビーム制御部の構成を示す図である。
【図３】パルスレーザ光の発光タイミングと高周波電場の位相との関係を示す図である。
【図４】実験結果およびシミュレーション結果を示す図である。
【図５】第１の実施形態におけるイオンビーム制御装置によって制御されたイオンビームのエネルギースペクトルおよび所定のエネルギーにおける動径方向のイオン粒子分布を示す図（その１）である。
【図６】第１の実施形態におけるイオンビーム制御装置によって制御されたイオンビームのエネルギースペクトルおよび所定のエネルギーにおける動径方向のイオン粒子分布を示す図（その２）である。
【図７】第１の実施形態におけるイオンビーム制御装置によって制御されたイオンビームのエネルギースペクトルおよび所定のエネルギーにおける動径方向のイオン粒子分布を示す図（その３）である。
【図８】第２の実施形態におけるイオンビーム制御部の構成を示す図である。
【図９】第２の実施形態におけるイオンビーム制御部の他の構成を示す図である。
【図１０】第２の実施形態におけるイオンビーム制御装置によって制御されたイオンビームのエネルギースペクトルおよび所定のエネルギーにおける動径方向のイオン粒子分布を示す図である。
【図１１】比較例として、イオンビーム制御装置によって制御されたイオンビームのエネルギースペクトルおよび所定のエネルギーにおける動径方向のイオン粒子分布を示す図である。
【図１２】従来のイオンビーム制御装置の構成を示す図である。
【図１３】イオンビームのエネルギーに対する強度分布を示す図である。
【図１４】イオンビームの位相回転を説明するための図である。
【符号の説明】
【０１０２】
Ｓａ、Ｓｂ イオンビーム制御装置
１ａ、１ｂ イオンビーム制御部
２ イオンビーム生成部
３ 同期制御部
１１ａ 二重ギャップ高周波共振器
１１ｂ 多重ギャップ高周波共振器
１２ コリメータ
１１２ａ、１１２ｂ 電場生成部材
１１５ａ、１１５ｂ 交流電源
１２１ 磁場生成部
１２２ 透過遮断部
１２２１ 貫通孔
２１ レーザ光源
２２ 光学系
２３ 固体薄膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオンビームを制御することができるイオンビーム制御装置およびイオンビーム制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１２は、従来のイオンビーム制御装置の構成を示す図である。図１３は、イオンビームのエネルギーに対する強度分布を示す図である。図１３（Ａ）は、パルスレーザの照射によって生成されたイオンビームのエネルギーに対する強度分布を示す模式図であり、図１３（Ｂ）は、イオンビーム制御装置によって制御されたイオンビームのエネルギーに対する強度分布を示す模式図であり、そして、図１３（Ｃ）は、その実験結果を示す図である。図１３（Ａ）〜（Ｃ）の横軸は、エネルギー（energy）を示し、それらの縦軸は、イオンビームの強度、すなわち、イオンの存在確率を示す。図１３（Ｃ）の横軸の単位は、ＭｅＶであり、その縦軸の単位は、１０９／ｓｒ／ｓｈｏｔ／１００ｋｅＶである。
【０００３】
図１２に示すように、固体薄膜ＭＦにパルス状のレーザ光（パルスレーザ光）ＰＬが照射されると、パルスレーザ光ＰＬによって固体薄膜ＭＦが加熱され、ビーム状のイオン（イオンビーム）ＩＢが生成される。このイオンビームＩＢにおけるエネルギーに対する強度分布（エネルギースペクトル）は、図１３（Ａ）に示すように、低エネルギー側に強度（イオンの存在確率）のピークが形成された後、エネルギーの増大と共に強度が指数関数的に減少する。このため、ユーザが所定のエネルギーを持ったイオンビームＩＢを利用したい場合、所定の強度が得られない場合があり、イオンビームＩＢを利用する上で不都合であった。
【０００４】
そこで、図１２に示すイオンビーム制御装置１０００を用いてイオンビームＩＢにおけるエネルギーに対する強度分布を高周波電場による位相回転によって制御することが提案されている（非特許文献１、非特許文献２）。図１２に示すイオンビーム制御装置１０００は、円筒形状の筐体１００１と、高周波の電場Ｅ（ｔ）を生成する高周波電場生成部１００２（１００２−１〜１００２−３）とを備える。高周波電場生成部１００２は、イオンビームＩＢが通過すると共に当該イオンビームＩＢに高周波電場Ｅ（ｔ）が作用するように配置された円筒形状の３個の第１ないし第３電場生成部材１００２−１〜１００２−３を備えて構成される。第１ないし第３電場生成部材１００２−１〜１００２−３は、互いに所定の間隔が空くように、かつ互いに中心軸が一致するように、かつ第１ないし第３電場生成部材１００２−１〜１００２−３の中心軸と筐体１００１の中心軸とが互いに直交するように、筐体１００１の一側面から他側面へ連なるようにそれぞれ配設される。より詳細には、第１電場生成部材１００２−１は、筐体１００１の側面を貫通するように、かつ第１電場生成部材１００２−１の中心軸と筐体１００１の中心軸とが互いに直交するように筐体１００１の一側面に配設される。第２電場生成部材１００２−２は、第１電場生成部材１００２−１から所定の間隔を空けて第１電場生成部材１００２−１の中心軸と第２電場生成部材１００２−２の中心軸とが互いに一致するように、筐体１００１の上蓋内面から垂下する支持部材１００３によって支持されて筐体１００１内に配設される。第３電場生成部材１００２−３は、第２電場生成部材１００２−２から所定の間隔を空けて第２電場生成部材１００２−２の中心軸と第３電場生成部材１００２−３の中心軸とが互いに一致するように、かつ筐体１００１の側面を貫通するように、筐体１００１の前記一側面に対向する他側面に配設される。そして、筐体１００１および高周波電場生成部１００２には、図略の交流電源によって高周波（ＲＦ）の交流電圧が印加される。これによって、第１電場生成部材１００２−１と第２電場生成部材１００２−２との間における第１空間（第１ギャップ）Ｇ１、および、第２電場生成部材１００２−２と第３電場生成部材１００２−３との間における第２空間（第２ギャップ）Ｇ２にそれぞれ高周波電場Ｅ（ｔ）が生成される。
【０００５】
このような構成のイオンビーム制御装置１０００では、高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転によって、図１３（Ｂ）に示すように、イオンビームＩＢの或るエネルギーにおいて、強度のピークＰＫを生成することができる。これは、図１３（Ｃ）に示すように、実験によっても確認されている。図１３（Ｃ）の△は、位相回転がない場合における実験結果であり、□は、位相回転が８０度の場合における実験結果であり、そして、■は、位相回転が２１５度の場合における実験結果である。位相回転がない場合では、エネルギーの増大と共に強度がなだらかに減少しているが、８０度や２１５度のように位相回転がある場合では、複数の強度のピークが形成されている。
【０００６】
これは、次のように説明される。図１４は、イオンビームの位相回転を説明するための図である。図１４の横軸は、高周波電場の位相（phase）を示し、その縦軸は、高周波電場Ｅ（ｔ）の強度を示す。
【０００７】
パルスレーザ光ＰＬによって生成されたイオンビームＩＢは、図１３（Ａ）に示すように、様々なエネルギーを持つ複数のイオンによって構成されており、エネルギーの高いイオンは、エネルギーの低いイオンに較べて早く第１ギャップＧ１に到達する。したがって、図１４に示すように、強度のピークを形成しようとしているエネルギーを持ったイオンＰａを基準とすると、このイオンＰａよりも高いエネルギーを持ったイオンＰｂは、このイオンＰａよりも早く第１ギャップＧ１に到達し、このイオンＰａよりも低いエネルギーを持ったイオンＰｃは、このイオンＰａよりも遅く第１ギャップＧ１に到達することになる。このため、イオンＰａよりも高いエネルギーを持ったイオンＰｂをイオンＰａよりも小さいエネルギーだけ加速するように、そして、イオンＰａよりも低いエネルギーを持ったイオンＰｃをイオンＰａよりも大きいエネルギー分加速するように、高周波電場Ｅ（ｔ）をイオンビームに作用させ、さらに、第１ギャップＧ１および第２ギャップＧ２において同一の位相で高周波電場Ｅ（ｔ）がイオンＰａに作用するように第１ギャップＧ１と第２ギャップＧ２との間の距離Ｌを設定すると、イオンＰｂのエネルギーおよびイオンＰｃのエネルギーがそれぞれイオンＰａのエネルギーに近づく。この結果、イオンＰａのエネルギーに強度のピークＰＫを形成することができる。このような高周波電場Ｅ（ｔ）を用いてイオンビームＩＢのエネルギー広がりを圧縮することを高周波電場による位相回転と呼称している。
【０００８】
一方、このようなイオンビームＩＢの適用例としては、例えば、イオンビームＩＢを照射することで微量元素を注入することにより表面改質を行う表面処理技術や、イオンビームＩＢを照射することによって癌細胞にダメージを与える粒子線治療等がある。一般に、Ｘ線やγ線等の放射線および中性子線では、体内の比較的浅い部位で線量が最大となり、徐々に線量が減少していく。このため、放射線や中性子線では、癌周辺の正常細胞にもダメージを与えてしまう。これに対し、陽子線や炭素イオン線等の粒子線では、体表面では線量が比較的少なく、深部で最大線量（Bragg peak、ブラッグピーク）となり、それより深部ではほとんど線量がゼロになるという特徴がある。そのため、粒子線では、このブラックピークを癌の病変部に合わせて照射すれば、深さ方向における周囲の正常細胞にあまり影響を与えることなく、癌細胞にダメージを与えることができる。従来、このような粒子線治療を行うためには、サイクロトロンやシンクロトロン等の比較的大掛かりな加速器が必要であった。
【非特許文献１】A.Noda et al.,Bean Science of Technology,Nol.6,2001.PP21-23
【非特許文献２】A.Noda et al.,Laser Physics 2006,Vol.16,No.4,PP647-653
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上述のイオンビーム制御装置１０００では、所定のエネルギーに強度のピークＰＫを形成する制御を行うことができるが、イオンビームＩＢが動径方向（進行方向に対し垂直な方向）に発散してしまうという不都合が生じた。また、第１ないし第３電場生成部材１００２−１〜１００２−３に一定以上の高電圧を印加すると静電破壊を生じるため、第１ないし第３電場生成部材１００２−１〜１００２−３に印加可能な電圧が制限される結果、高エネルギーのイオンビームＩＢの位相回転ができないという不都合も生じた。
【００１０】
特に、イオンビームＩＢの利用を考えると、イオンビームＩＢにおけるエネルギー拡がりの大きさおよび動径方向における大きさの制御（動径方向の収束）が望まれ、また、高エネルギー化が望まれる。
【００１１】
本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、イオンビームにおけるエネルギー拡がりの大きさおよび動径方向の大きさを制御することができるイオンビーム制御装置およびイオンビーム制御方法を提供することを目的とする。また、イオンビームにおけるエネルギーの大きさおよび動径方向の大きさを制御することができ、比較的高エネルギーのイオンビームを生成することができるイオンビーム制御装置およびイオンビーム制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様に係るイオンビーム制御装置は、イオンビームが入射され、所定の大きさのエネルギー拡がりおよび動径方向における所定の大きさの直径で前記イオンビームが射出されるように、前記所定の大きさのエネルギーにおける存在確率が増加するような高周波電場による位相回転を少なくとも利用することによって前記イオンビームを制御するイオンビーム制御部を備えることを特徴とする。そして、本発明の他の一態様に係るイオンビーム制御方法は、イオンビームが入射される工程と、所定の大きさのエネルギーにおける存在確率が増加するように高周波電場による位相回転によって前記イオンビームの存在確率を制御する工程と、前記所定の大きさのエネルギーおよび動径方向における所定の大きさの直径となるように、前記イオンビームのエネルギー拡がりおよび動径方向の直径を制御する工程とを備えることを特徴とする。
【００１３】
このような構成のイオンビーム制御装置およびイオンビーム制御方法では、高周波電場による位相回転によって所望のエネルギーに強度のピークが形成される。このため、このような構成のイオンビーム制御装置およびイオンビーム制御方法は、この強度のピークを切り出すことによって、イオンビームにおけるエネルギー拡がりの大きさおよび動径方向の大きさを制御することができる。
【００１４】
また、上述のイオンビーム制御装置において、前記イオンビーム制御部は、前記イオンビームが入射され、前記高周波電場による位相回転を行うギャップを備える高周波共振器と、前記高周波共振器から射出されたイオンビームが入射され、該入射されたイオンビームを前記所定の大きさのエネルギー拡がりおよび前記動径方向における所定の大きさの直径で射出するコリメータとを備えることを特徴とする。前記ギャップは、単一または複数を含む。
【００１５】
このような構成のイオンビーム制御装置では、高周波共振器によって、所望のエネルギーに強度のピークが形成され、そして、コリメータによって、この強度のピークが切り出される。これにより、このような構成のイオンビーム制御装置は、イオンビームＩＢにおけるエネルギー拡がりの大きさおよび動径方向の大きさを制御することができる。
【００１６】
さらに、上述のイオンビーム制御装置において、前記イオンビーム制御部は、前記イオンビームが入射され、前記高周波電場による位相回転を行う複数のギャップを備え、隣り合うギャップにおける高周波電場の位相が１８０度ずれている多重ギャップ高周波共振器を備えることを特徴とする。
【００１７】
このような構成のイオンビーム制御装置では、多重ギャップ高周波共振器によって、所定の大きさのエネルギーにおける存在確率が増加するような高周波電場による位相回転が複数回繰り返される。これにより、このような構成のイオンビーム制御装置は、イオンビームにおけるエネルギー拡がりの大きさおよび動径方向の大きさを制御することができる。さらに、高周波電場による位相回転が複数回繰り返されるので、イオンビームの高エネルギー化を図ることもできる。
【００１８】
そして、これら上述のイオンビーム制御装置において、前記イオンビーム制御部に入射されるイオンビームを生成するイオンビーム生成部をさらに備えることを特徴とする。このイオンビーム生成部は、パルスレーザ光を固体薄膜に照射することによってイオンビームを生成するレーザ生成イオンビーム生成装置であることが好ましい。
【００１９】
このような構成のイオンビーム制御装置では、イオンビームを生成するイオンビーム生成部をさらに備えたイオンビーム制御装置が提供され、イオンビーム生成部を別途に用意する必要がない。
【００２０】
また、この上述のイオンビーム制御装置において、前記高周波電場の周波数は、前記パルスレーザ光の周波数の整数倍であることを特徴とする。
【００２１】
このような構成のイオンビーム制御装置では、高周波電場の周波数がパルスレーザ光の周波数の整数倍であるので、高周波電場の位相とパルスレーザ光のタイミングとを制御する場合に、その制御が容易となる。この結果、制御装置が簡易化される。
【００２２】
さらに、これら上述のイオンビーム制御装置において、前記イオンビームの入射方向における電場方向が転換するタイミングで前記イオンビームが前記ギャップの中心位置に入射されるように、前記イオンビーム制御部における前記高周波電場の位相と前記イオンビーム生成部におけるイオンビームの生成タイミングとの同期を制御する同期制御部をさらに備えることを特徴とする。
【００２３】
このような構成のイオンビーム制御装置では、同期制御部によって同期が制御されるので、高周波電場が形成する、イオンビームの入射方向における電場方向が転換するタイミングでイオンビームがギャップの中心位置に入射される。例えば、イオンビームが正イオンのビームである場合では、電場方向がイオンビームの入射方向の逆方向から該入射方向へ転換するタイミングでイオンビームがギャップの中心位置に入射されるように、同期が制御される。イオンビームにおけるイオンの極性に応じた電場方向の転換タイミングでイオンビームがギャップの中心位置に入射されるように、同期が制御される。このため、効率よく、所望のエネルギーにおける存在確率を増大させ、収束度合いを増大させることができる。
【００２４】
そして、本発明の他の一態様に係るイオンビーム制御方法は、イオンビームが入射される工程と、前記所定の大きさのエネルギー拡がりおよび動径方向における所定の大きさの直径となるように、前記所定の大きさのエネルギーにおける存在確率が増加するような高周波電場による位相回転を複数繰り返す工程とを備えることを特徴とする。
【００２５】
このような構成のイオンビーム制御方法では、所定の大きさのエネルギーにおける存在確率が増加するような高周波電場による位相回転が複数回繰り返される。これにより、このような構成のイオンビーム制御方法は、イオンビームにおけるエネルギー拡がりの大きさおよび動径方向の大きさを制御することができる。さらに、高周波電場による位相回転が複数回繰り返されるので、イオンビームの高エネルギー化を図ることもできる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明に係るイオンビーム制御装置およびイオンビーム制御方法は、イオンビームにおけるエネルギー拡がりの大きさおよび動径方向の大きさを制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。
（第１の実施形態）
図１は、実施形態におけるイオンビーム制御装置の構成を示す図である。図２は、第１の実施形態におけるイオンビーム制御部の構成を示す図である。
【００２８】
図１および図２において、イオンビーム制御装置Ｓａは、イオンビームＩＢにおけるエネルギー拡がりの大きさおよび動径方向（イオンビームＩＢの進行方向に直交する方向）の大きさを制御する装置であり、例えば、本実施形態では、イオンビームＩＢが入射され、予め設定された所定の大きさのエネルギー拡がりおよび予め設定された所定の大きさの動径方向における直径でイオンビームＩＢが射出されるように、この所定の大きさのエネルギーにおける存在確率が増加するような高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転を少なくとも利用することによってイオンビームＩＢを制御するイオンビーム制御部１ａと、イオンビーム制御部１ａに入射されるイオンビームＩＢを生成するイオンビーム生成部２と、高周波電場Ｅ（ｔ）の、イオンビームＩＢの入射方向における電場方向が転換するタイミングでイオンビームＩＢがイオンビーム制御部１における後述のギャップＧの中心位置に入射されるように、イオンビーム制御部１ａにおける高周波電場Ｅ（ｔ）の位相とイオンビーム生成部２におけるイオンビームＩＢの生成タイミングとの同期を制御する同期制御部３とを備えて構成される。
【００２９】
イオンビーム制御部１ａは、例えば、本実施形態では、図２に示すように、イオンビームＩＢが入射され、所定の大きさのエネルギーにおける存在確率が増加するような高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転を行うギャップを２個備える二重ギャップ高周波共振器１１ａと、二重ギャップ高周波共振器１１ａから射出されたイオンビームＩＢが入射され、この入射されたイオンビームＩＢを所定の大きさのエネルギー拡がりおよび所定の大きさの動径方向における直径で射出するコリメータ１２とを備えて構成される。図２では、二重ギャップ高周波共振器１１ａは、縦断面図で示されている。
【００３０】
二重ギャップ高周波共振器１１ａは、例えば、本実施形態では、円筒形状の筐体１１１ａと、高周波の電場Ｅ（ｔ）を生成する高周波電場生成部１１２ａ（１１２ａ−１〜１１２ａ−３）と、高周波（ＲＦ）の交流電源１１５ａとを備える。
【００３１】
なお、本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。
【００３２】
高周波電場生成部１１２ａは、イオンビームＩＢが通過すると共に当該イオンビームＩＢに高周波電場Ｅ（ｔ）が作用するように配置された円筒形状の３個の第１ないし第３電場生成部材１１２ａ−１〜１１２ａ−３を備えて構成される。第１ないし第３電場生成部材１１２ａ−１〜１１２ａ−３は、互いに所定の距離ｇが空くように、かつ互いに中心軸が一致するように、かつ第１ないし第３電場生成部材１１２ａ−１〜１１２ａ−３の中心軸と筐体１１１ａの中心軸とが互いに直交するように、筐体１１１ａの一側面から他側面へ連なるようにそれぞれ配設される。より詳細には、第１電場生成部材１１２ａ−１は、筐体１１１ａの側面を貫通するように、かつ第１電場生成部材１１２ａ−１の中心軸と筐体１１１ａの中心軸とが互いに直交するように筐体１１１ａの一側面に配設される。第２電場生成部材１１２ａ−２は、第１電場生成部材１１２ａ−１から所定の距離ｇを空けて第１電場生成部材１１２ａ−１の中心軸と第２電場生成部材１１２ａ−２の中心軸とが互いに一致するように、筐体１１１ａの上蓋内面から垂下するロッド形状の支持部材１１３ａによって支持されて筐体１１１ａ内に配設される。第３電場生成部材１１２ａ−３は、第２電場生成部材１１２ａ−２から所定の距離ｇを空けて第２電場生成部材１１２ａ−２の中心軸と第３電場生成部材１１２ａ−３の中心軸とが互いに一致するように、かつ筐体１１１ａの側面を貫通するように、筐体１１１ａの前記一側面に対向する他側面に配設される。第１ないし第３電場生成部材１１２ａ−１〜１１２ａ−３における筐体１１１ａの上蓋からの配設位置は、高周波電場Ｅ（ｔ）の周波数（波長）に基づいて二重ギャップ高周波共振器１１ａが共振器を構成するように適宜に設定される。
【００３３】
高周波電場生成部１１２ａがこのように構成されることによって、第１電場生成部材１１２ａ−１と第２電場生成部材１１２ａ−２との間における第１空間（第１ギャップ）Ｇ１が形成され、そして、第２電場生成部材１１２ａ−２と第３電場生成部材１１２ａ−３との間における第２空間（第２ギャップ）Ｇ２が形成される。
【００３４】
第２電場生成部材１１２−２の長さＬは、（Ｌ＋ｇ）が高周波電場Ｅ（ｔ）の１／２周期（半周期）の奇数倍の時間に、形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーを持ったイオンの速度を乗じた値に等しくなるように設定される。イオンの速度は、イオンの持つエネルギーから求められる。このように第２電場生成部材１１２−２の長さＬが設定されると、形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーを持ったイオンは、第１ギャップＧ１の電場Ｅ（ｔ）と第２ギャップの電場Ｅ（ｔ）とのそれぞれから同一の位相で電場Ｅ（ｔ）の作用を受けることになる。
【００３５】
第１および第２ギャップＧ１、Ｇ２の距離ｇは、形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーを持ったイオンが２個のギャップの飛行中において高周波電場Ｅ（ｔ）の位相を大きく変化させることなく（イオンの飛行中における高周波電場Ｅ（ｔ）の変化が実質的な影響を受けることがない程度に小さく）、かつ、静電破壊が生じることなく必要とされる電圧が印加可能な距離に設定される。
【００３６】
これら筐体１１１ａ、第１ないし第３電場生成部材１１２ａ−１〜１１２ａ−３および支持部材１１３ａは、例えば金属（合金を含む）等の導体材料から形成されており、例えば、本実施形態は、導電特性や加工性等の観点から銅を用いて形成されている。
【００３７】
交流電源１１５ａは、その一方端子が筐体１１１ａに接続されると共に、その他方端子が筐体１１１ａに穿設された貫通孔１１４ａを介して筐体１１１ａ内部に設置され、高周波の交流電圧が印加される。貫通孔１１４ａには、絶縁部材が充填され、前記他方端子と筐体１１１ａとは、絶縁されている。これによって第１および第２ギャップＧ１、Ｇ２のそれぞれに高周波電場Ｅ（ｔ）が半周期ずれて生成される。交流電源１１５ａは、同期制御部３からの同期信号によって高周波電場Ｅ（ｔ）の位相が制御される。
【００３８】
コリメータ１２は、本実施形態では、例えば、磁場を生成しイオンビームＩＢに磁場を作用させる磁場生成部１２１と、貫通孔１２２１が形成された透過遮断部１２２とを備えて構成される。透過遮断部１２２は、磁場生成部１２１で磁場の作用を受けたイオンビームＩＢの進行方向に対して略垂直な方向Ｄに沿って移動可能に構成され、そして、貫通孔１２２１の直径が変更可能に構成されている。透過遮断部１２２は、重い元素によって構成される材料が好ましいが、加工の容易性や比較的低価格であることから、例えば、真鍮によって形成される。コリメータ１２は、例えば、マグネットスペクトログラフである。またコリメータ１２は、透過遮断部１２２の位置が固定され、磁場の強度が変更可能に構成されたマグネットスペクトロメータであってもよい。
【００３９】
図１に戻って、イオンビーム生成部２は、本実施形態では、例えば、パルス状のレーザ光（パルスレーザ光）ＰＬを固体薄膜２３に照射することによってイオンビームＩＢを生成するレーザ生成イオンビーム生成装置であり、例えば、パルスレーザ光ＰＬを発光して射出するレーザ光源２１と、レーザ光源２１から射出されたパルスレーザ光ＰＬを集光して固体薄膜２３へ射出する例えば放物面鏡等を備えて構成される光学系２２と、薄膜状に形成された固体材料から成る固体薄膜２３とを備えて構成される。固体薄膜２３は、例えば、チタン、タンタルおよびポリイミド等の材料から形成される。固体薄膜２３は、イオンビームＩＢをより良好に生成するためには、薄い方が好ましい。
【００４０】
イオンビーム生成部２は、イオンビームＩＢの発生点（略固体薄膜２３の配置位置）から二重ギャップ高周波共振器１１ａの第１電場生成部材１１２ａ−１にイオンビームＩＢが入射する位置までの距離が所定の長さとなるように配置される。イオンビームＩＢの時間的な拡がりは、発生直後は、極めて短く、飛行距離に応じて拡がる。この所定の長さは、このイオンビームＩＢの時間的な広がりが高周波電場Ｅ（ｔ）の１／２周期未満となるように設定される。
【００４１】
同期制御部３は、本実施形態では、例えば、イオンビーム生成部２のレーザ光源２１からパルスレーザ光ＰＬを照射する照射タイミングが通知され、この照射タイミングに基づいて、イオンビームＩＢの入射方向における電場Ｅ（ｔ）方向が転換するタイミングでイオンビームＩＢがイオンビーム制御部１ａに入射されるように、同期信号をイオンビーム制御部１ａの交流電源１１５ａへ通知し、イオンビーム制御部１ａにおける高周波電場Ｅ（ｔ）の位相とイオンビーム生成部２におけるイオンビームＩＢの生成タイミングとの同期を制御する回路である。
【００４２】
ここで、高周波電場Ｅ（ｔ）の周波数は、パルスレーザ光の周波数の整数倍に設定されている。このように高周波電場Ｅ（ｔ）の周波数が設定されることにより、上記のように、高周波電場Ｅ（ｔ）の位相とパルスレーザ光によって生成されたイオンビームＩＢにおける高周波電場Ｅ（ｔ）への進入タイミングとを制御する場合に、その制御が容易となる。このため、同期制御部３が簡易に構成可能となる。
【００４３】
次に、イオンビーム制御装置Ｓａの動作について説明する。
【００４４】
図３は、パルスレーザ光の発光タイミングと高周波電場の位相との関係を示す図である。図３の上段は、高周波電場Ｅ（ｔ）における電場の強度の時間変化を示し、その下段は、イオンビームＩＢの進入タイミングを示す。図４は、実験結果およびシミュレーション結果を示す図である。図４の実線は、実験結果を示し、その破線は、シミュレーション結果を示す。図５ないし図７は、第１の実施形態におけるイオンビーム制御装置によって制御されたイオンビームのエネルギースペクトルおよび所定のエネルギーにおける動径方向のイオン粒子分布を示す図（その１〜その３）である。図５は、高周波電場Ｅ（ｔ）の電圧（振幅）が５０ｋＶの場合であり、図６は、高周波電場Ｅ（ｔ）の電圧（振幅）が８０ｋＶの場合であり、そして、図７は、高周波電場Ｅ（ｔ）の電圧（振幅）が９０ｋＶの場合である。図５（Ａ）、図６（Ａ）および図７（Ａ）は、エネルギースペクトルを示し、その横軸は、ＭｅＶ単位で表すエネルギーであり、その縦軸は、強度（存在確率）である。図５（Ｂ）、（Ｃ）、図６（Ｂ）〜（Ｇ）および図７（Ｂ）、（Ｃ）は、イオン粒子分布を示し、その横軸および縦軸は、それぞれ、ＸＹＺ直交座標系において、イオンビームＩＢの進行方向をＺ軸とした場合におけるＸ軸およびＹ軸である。図５（Ｂ）は、０．８６６〜０．８７７ＭｅＶの場合であり、図５（Ｃ）は、０．８９〜０．９０ＭｅＶの場合である。図６（Ｂ）は、０．６５〜０．６８ＭｅＶの場合であり、図６（Ｃ）は、０．６８〜０．７０ＭｅＶの場合であり、図６（Ｄ）は、０．７０〜０．７２ＭｅＶの場合であり、図６（Ｅ）は、０．８３〜０．８６ＭｅＶの場合であり、図６（Ｆ）は、０．８６〜０．８９ＭｅＶの場合であり、図６（Ｇ）は、０．８９〜０．９２ＭｅＶの場合である。そして、図７（Ｂ）は、０．８２〜０．８４ＭｅＶの場合であり、図７（Ｃ）は、０．９２〜０．９４ＭｅＶの場合である。
【００４５】
イオンビーム生成部２のレーザ光源２１は、予め設定された所定のパルス幅を持ったパルスレーザ光ＰＬを予め設定された所定の周期で発光し、また、この発光のタイミングを同期制御部３へ通知する。レーザ光源２１から射出されたパルスレーザ光ＰＬは、光学系２２で収束され、スポットで固体薄膜２３に照射される。固体薄膜２３にパルスレーザ光ＰＬが照射されると、パルスレーザ光ＰＬのエネルギーによって固体薄膜２３が加熱され、固体薄膜２３を形成する物質や固体薄膜表面に吸着されている水等がプラズマ化され、まず、電子（ｅ−）が放出される。この電子に引かれてプロトン（Ｈ＋）が放出されて飛行し、プロトンのイオンビームＩＢが生成される。このような熱的過程によってイオンビームＩＢが生成されるため、このイオンビームＩＢのエネルギー分布は、マックスウェル分布に従い、図１３（Ａ）に示すように、エネルギーの増大に従って強度（イオンの存在確率）が指数関数的に減少するプロファイルとなる。例えば、パルスレーザ光ＰＬのパルス幅が約５０〜１００ｆｓの場合に、固体薄膜２３から放出される時点におけるイオンビームＩＢの時間的拡がりは、ピコ秒オーダ、例えば約１ｐｓとなる。
【００４６】
例えば、固体薄膜２３がチタンにより構成されている場合には、固体薄膜２３は、約３〜５μｍの厚みとされ、約３〜４ＴＷのパルスレーザ光ＰＬが直径約１０μｍのスポットで固体薄膜２３に照射される。また例えば、固体薄膜２３がタンタルにより構成されている場合には、固体薄膜２３は、約３〜５μｍの厚みとされ、約３〜４ＴＷのパルスレーザ光ＰＬが直径１０μｍのスポットで固体薄膜２３に照射される。また例えば、固体薄膜２３がポリイミドにより構成されている場合には、固体薄膜２３は、約７．５μｍの厚みとされ、約２０ＴＷのパルスレーザ光ＰＬが直径１０μｍのスポットで固体薄膜２３に照射される。
【００４７】
なお、ヒータ等の熱を発生する熱源によって固体薄膜２３を加熱することによりその表面に吸着されている水等を除去すること等によって、固体薄膜２３を形成する物質のイオンビームＩＢ、例えば炭素イオンのイオンビームＩＢが生成されると報告されている。
【００４８】
このように生成されたイオンビームＩＢは、イオンビーム制御部１ａに入射される。この入射されたイオンビームＩＢは、二重ギャップ高周波共振器１１ａに入射され、高周波電場生成部１１２ａで高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転が行われる。
【００４９】
より具体的には、まず、この入射されたイオンビームＩＢは、第１電場生成部材１１２ａ−１を介して第１ギャップＧ１に入射され、高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転が行われる。
【００５０】
ここで、高周波電場Ｅ（ｔ）の位相は、形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーよりも高いエネルギーを持ったイオンビームＩＢのイオンが高周波電場Ｅ（ｔ）から受ける作用によって減速し、形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーを持ったイオンビームＩＢのイオンが高周波電場Ｅ（ｔ）から作用を受けることなく、そして、形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーよりも低いエネルギーを持ったイオンビームＩＢのイオンが高周波電場Ｅ（ｔ）から受ける作用によって加速するように、イオンビームＩＢの第１ギャップＧ１への入射タイミングと同期される。本実施形態では、図３に示すように、イオンビームＩＢのイオン（プロトン）が正電荷を持つため、高周波電場Ｅ（ｔ）の正方向をイオンビームＩＢの進行方向（第１電場生成部材１１２ａ−１から第２電場生成部材１１２ａ−２へ向かう方向）とすると、イオンビームＩＢが第１ギャップＧ１の中心を通過するタイミングで正弦波の高周波電場Ｅ（ｔ）が負から正に切り換わるように、高周波電場Ｅ（ｔ）の位相が制御される。高周波電場Ｅ（ｔ）の位相がこのように制御されるように、同期制御部３は、レーザ光源２１からの発光タイミングの通知に基づいて同期信号を二重ギャップ高周波共振器１１ａの交流電源１１５ａへ通知する。なお、イオンビームＩＢのイオンが負電荷である場合には、イオンビームＩＢが第１ギャップＧ１の中心を通過するタイミングで正弦波の高周波電場Ｅ（ｔ）が正から負に切り換わるように、高周波電場Ｅ（ｔ）の位相が制御される。
【００５１】
また、第１ギャップＧ１に入射される前（位相回転する前）におけるイオンの状態を表すベクトルをＳｂ、第１ギャップＧ１から射出された後（位相回転後）におけるイオンの状態を表すベクトルをＳａとすると、Ｓａ＝Ｆ・Ｓｂと表され、この式の位相回転マトリクスＦは、式１のように表される。
【００５２】
【数１】
【００５３】
ここで、ｋｒおよびｋｚは、式２および式３のようにそれぞれ表される。
【００５４】
【数２】
【００５５】
【数３】
【００５６】
ここで、ｑは、イオンの電荷量、Ｖ０は、ギャップＧに印加される電圧、Ｔは、トランジェットタイムファクタ、ｇは、ギャップＧの距離、φｓは、前記形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーを持ったイオンビームＩＢのイオンがギャップの中間位置を通過する際の高周波電場Ｅ（ｔ）の位相、ｍ０は、イオンの質量、ｃは、光速、βは、イオンの速度を光速で規格化した値（＝（イオンの速度）／（光速））、γは、ローレンツファクタ、ｆは、高周波電場Ｅ（ｔ）の周波数である。βおよびγの上付きのバーは、ギャップ中におけるその平均であることを示している。本実施形態では、ｑは、プロトンの電荷量であり、ｍ０は、プロトンの質量である。
【００５７】
この式１ないし式３によって計算（シミュレーション）した結果（図４の破線）と、実験結果（図４の実線）とを比較すると、図４に示すように、シミュレーション結果は、実験結果とよく一致しており、式１ないし式３は、イオンビームＩＢに作用する高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転をよく表している。
【００５８】
第１ギャップＧ１で位相回転したイオンビームＩＢは、第２電場生成部材１１２ａ−２を介して第２ギャップＧ２に入射され、高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転が行われる。この位相回転は、第１ギャップＧ１と同様に、上記式１ないし式３によって表される。
【００５９】
ここで、第１ギャップＧ１の距離ｇおよび第２電場生成部材１１２−２の長さＬが上述のように設定されている。このため、第２ギャップＧ２の中間位置をイオンビームＩＢにおける前記形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーを持ったイオンが通過した際における高周波電場Ｅ（ｔ）の位相は、第１ギャップＧ１の中間をイオンビームＩＢにおける前記形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーを持ったイオンが通過した際における高周波電場Ｅ（ｔ）の位相と同じになる。このため、第２ギャップＧ２に入射したイオンビームＩＢは、高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転によってこの形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーでさらにエネルギーが圧縮される。
【００６０】
そして、二重ギャップ高周波共振器１１で位相回転したイオンビームＩＢは、コリメータ１２に入射され、この入射されたイオンビームＩＢは、コリメータ１２でこの強度のピークに対応するエネルギーを持つイオンが選別され、さらに、所定の大きさの直径にされ、射出される。
【００６１】
より具体的には、コリメータ１２に入射したイオンビームＩＢは、まず、磁場生成部１２１に入射され、イオンビームＩＢの各イオンは、その運動量に応じて磁場によって進行方向（軌道）が曲げられ、図２に示すように、軌道ｂ１〜ｂ３に広がって透過遮断部１２２へ向かって飛行する。この磁場によって進行方向の曲げられる大きさは、運動量の大きいイオンでは小さく（軌道ｂ１）、運動量の小さいイオンでは大きい（軌道ｂ３）。このため、形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーを持ったイオンの軌道ｂ２上に透過遮断部１２２の貫通孔１２２１が配置されるように、透過遮断部１２２を配置することによって、形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーを持ったイオンのみが選別され、コリメータ１２から射出されることになる。そして、貫通孔１２２１の直径を前記所定の大きさに設定することによって、この所定の大きさの直径でイオンビームＩＢがコリメータ１２から射出される。
【００６２】
このように動作することにより、イオンビーム制御装置Ｓａは、イオンビームＩＢにおけるエネルギー拡がりの大きさおよび動径方向の大きさを制御することができる。
【００６３】
式１ないし式３を用いて５０ｋＶ、８０ｋＶおよび９０ｋＶの各場合についてエネルギースペクトルをシミュレーションすると、各エネルギースペクトルは、図５（Ａ）、図６（Ａ）および図７（Ａ）にそれぞれ示すように、複数のピーク（以下、「グローバルピーク」と呼称する。）を持ち、各ピークが２つのピーク（以下、「ローカルピーク」と呼称する。）に分かれるプロファイルとなっている。なお、シミュレーションに当たって、イオンビームＩＢの発生位置（固体薄膜２３の配置位置）から二重ギャップ高周波共振器１１ａの第１電場生成部材１１２ａ−１へイオンビームＩＢが入射する位置までの距離は、１ｍに設定された。高周波電場Ｅ（ｔ）の周波数は、８０ＭＨｚ近辺のレーザ光源２１におけるマスタオシレータの周波数に設定され、第２電場生成部材１１２ａ−１の長さＬは、１０ｃｍに設定され、第１および第２ギャップＧ１、Ｇ２は、２ｃｍに設定された。
【００６４】
例えば、高周波電場Ｅ（ｔ）の電圧が５０ｋＶの場合であってエネルギーが０．８６６〜０．８７７ＭｅＶの場合では、図５（Ｂ）に示すように、イオンビームＩＢは、直径約０．０６ｍの一様な径を形成する。また例えば、高周波電場Ｅ（ｔ）の電圧が５０ｋＶの場合であってエネルギーが０．８９〜０．９０ＭｅＶの場合では、図５（Ｃ）に示すように、イオンビームＩＢは、直径約０．０７ｍ以内の領域に分布するが、その中心にエネルギー密度が高い直径約０．０４ｍの収束部位が見られる。エネルギーが０．８６６〜０．８７７ＭｅＶの場合とエネルギーが０．８９〜０．９０ＭｅＶの場合とは、同一のグローバルピークに属するが、グローバルピークでもエネルギーによっては、エネルギー密度が高い収束部位が発生する。
【００６５】
また例えば、高周波電場Ｅ（ｔ）の電圧が８０ｋＶの場合であってエネルギーが０．６５〜０．６８ＭｅＶの場合では、図６（Ｂ）に示すように、イオンビームＩＢは、一様な直径約０．０６ｍの分布を示す。また例えば、高周波電場Ｅ（ｔ）の電圧が８０ｋＶの場合であってエネルギーが０．６８〜０．７０ＭｅＶの場合では、図６（Ｃ）に示すように、イオンビームＩＢは、直径約０．０８ｍの分布を示すが、その中心にエネルギー密度が高い直径約０．０３ｍの収束部位が見られる。また例えば、高周波電場Ｅ（ｔ）の電圧が８０ｋＶの場合であってエネルギーが０．７０〜０．７２ＭｅＶの場合では、図６（Ｄ）に示すように、イオンビームＩＢは、直径約０．０７ｍの分布を示すが、その中心にエネルギー密度が高い直径約０．０２ｍの収束部位が見られる。エネルギーが０．６５〜０．６８ＭｅＶの場合とエネルギーが０．６８〜０．７０ＭｅＶの場合とエネルギーが０．７０〜０．７２ＭｅＶの場合とは、同一のグローバルピークに属するが、グローバルピークでもエネルギーによっては、エネルギー密度が高い収束部位が発生する。そして、エネルギーが高い方が、収束度合いがより高くなる傾向にある。
【００６６】
また例えば、高周波電場Ｅ（ｔ）の電圧が８０ｋＶの場合であってエネルギーが０．８３〜０．８６ＭｅＶの場合では、図６（Ｅ）に示すように、イオンビームＩＢは、エネルギー密度が一様な直径約０．０６ｍの分布を示す。また例えば、高周波電場Ｅ（ｔ）の電圧が８０ｋＶの場合であってエネルギーが０．８６〜０．８９ＭｅＶの場合では、図６（Ｆ）に示すように、イオンビームＩＢは、直径約０．０８ｍの分布を示すが、その中心にエネルギー密度が高い直径約０．０４ｍの収束部位が見られる。また例えば、高周波電場Ｅ（ｔ）の電圧が８０ｋＶの場合であってエネルギーが０．８９〜０．９２ＭｅＶの場合では、図６（Ｇ）に示すように、イオンビームＩＢは、直径約０．０８ｍの分布を示すが、その中心にエネルギー密度が高い直径約０．０３ｍの収束部位が見られる。エネルギーが０．８３〜０．８６ＭｅＶの場合とエネルギーが０．８６〜０．８９ＭｅＶの場合とエネルギーが０．８９〜０．９２ＭｅＶの場合とは、同一のグローバルピークに属するが、グローバルピークでもエネルギーによっては、エネルギー密度が高い収束部位が発生する。そして、この例では、エネルギーが高い方が、収束度合いがより高くなる傾向にある。
【００６７】
例えば、高周波電場Ｅ（ｔ）の電圧が９０ｋＶの場合であってエネルギーが０．８２〜０．８４ＭｅＶの場合では、図７（Ｂ）に示すように、イオンビームＩＢは、エネルギー密度が一様な直径約０．０６ｍの分布を示す。また例えば、高周波電場Ｅ（ｔ）の電圧が９０ｋＶの場合であってエネルギーが０．９２〜０．９４ＭｅＶの場合では、図７（Ｃ）に示すように、イオンビームＩＢは、直径約０．０８ｍの分布を示すが、その中心にエネルギー密度が高い直径約０．０２ｍの収束部位が見られる。エネルギーが０．８２〜０．８４ＭｅＶの場合とエネルギーが０．９２〜０．９４ＭｅＶの場合とは、同一のグローバルピークに属するが、グローバルピークでもエネルギーによっては、エネルギー密度が高い収束部位が発生する。
【００６８】
このような収束部位が生じるのは、イオンビームＩＢのイオンが正電荷であって、イオンビームＩＢが第１ギャップＧ１の中心位置を通過するタイミングにおいて正弦波の高周波電場Ｅ（ｔ）が正から負に切り換わる場合には、第１ギャップＧ１に生じる電場Ｅ（ｔ）の電気力線が、図２に示すように、第１ギャップＧ１の中央付近で絞られるような曲線であるため、イオンビームＩＢの進行方向において、第１ギャップＧ１の一方端からギャップＧ１の中央付近までは、イオンビームＩＢの中心へ向かう電場Ｅ（ｔ）の成分が生じると共に、第１ギャップＧ１の中央付近から第１ギャップＧ１の他方端までも、高周波電場Ｅ（ｔ）の向きが反転するため、外からイオンビームＩＢの中心に向かう電場Ｅ（ｔ）の成分が生じるため、イオンビームＩＢの中心へ向かって収束するためである。第２ギャップＧ２についても同様である。なお、この場合には、エネルギーのピークは、形成されずに拡がる方向になる。
【００６９】
そして、比較的小さい直径のイオンビームＩＢを利用する場合には、コリメータ１２の遮断透過部１２２における貫通孔１２２１の直径を収束部位の直径以下に調整することにより収束部位をコリメータ１２で選択的に取り出すことによって、エネルギー密度が一様なイオンビームＩＢを利用するよりも、収束部位を持つイオンビームＩＢを利用する方が、よりエネルギー密度の高いイオンビームＩＢを利用することができる。例えば、エネルギーが０８６〜０．９ＭｅＶであって直径０．０４ｍ以下のイオンビームＩＢを利用する場合、エネルギーが０．８６６〜０．８７７ＭｅＶのイオンビームＩＢを利用するよりも、収束部位を持つエネルギーが０．８９〜０．９０ＭｅＶのイオンビームＩＢを利用する方が、よりエネルギー密度が高くなる。また、コリメータ１２の遮断透過部１２２における貫通孔１２２１の直径を収束部位の直径と一致するように調整することによって、効果的にエネルギー密度の高いイオンビームＩＢを生成することができる。
【００７０】
なお、上述のイオンビームＩＢの生成およびイオンビームＩＢの制御は、予め設定された所定の真空度の真空中で行われる。このため、例えば、イオンビーム制御部１ａおよびイオンビーム生成部２は、図略の真空チャンバ内に収納され、真空ポンプによって前記所定の真空度となるように排気される。
【００７１】
また、上述の実施形態では、イオンビーム制御部１ａにおけるイオンビームＩＢに電場を作用させ位相回転を行う高周波共振器は、高周波電場Ｅ（ｔ）を形成する２個のギャップを備える二重ギャップ高周波共振器１１ａで構成されたが、高周波電場Ｅ（ｔ）を形成する１個のギャップを備えるシングルギャップ高周波共振器や、高周波電場Ｅ（ｔ）を形成する３個以上のギャップを備える多重ギャップ高周波共振器であってもよい。このような高周波共振器を備えたイオンビーム制御装置Ｓａによっても同様にイオンビームＩＢにおけるエネルギー拡がりの大きさおよび動径方向の大きさが制御可能となる。
【００７２】
次に、別の実施形態について説明する。
（第２の実施形態）
イオンビームＩＢに作用する高周波電場Ｅ（ｔ）は、静電破壊のため、一定の限界があり、また、第１の実施形態では、この高周波電場Ｅ（ｔ）が生成されるギャップは、２個であるため、イオンビームＩＢの高エネルギー化に限界があった。第２の実施形態におけるイオンビーム制御装置は、ギャップを３個以上設けることにより、イオンビームＩＢの一層の高エネルギー化を図るものである。そして、ギャップが２個の二重ギャップ高周波共振器１１ａでは、イオンビームＩＢは、図５ないし図７に示すように、エネルギー密度が一様な状態で動径方向の直径が調整されるのではなくエネルギー密度の高い収束部位が存在する状態であるが、ギャップを複数設け、隣り合うギャップにおける高周波電場Ｅ（ｔ）の位相を１８０度ずらすことにより、イオンビームＩＢは、後述するように、エネルギー密度が一様な状態で動径方向の直径が調整される。
【００７３】
図８は、第２の実施形態におけるイオンビーム制御部の構成を示す図である。図８（Ａ）は、イオンビーム制御部における高周波電場生成部の構成を示す模式図であり、図８（Ｂ）は、イオンビーム制御部の構成を示す斜視図である。
【００７４】
第２の実施形態のイオンビーム制御装置Ｓｂは、イオンビーム制御部１ｂと、イオンビーム生成部２と、同期制御部３とを備えて構成される。すなわち、第２の実施形態のイオンビーム制御装置Ｓｂは、第１の実施形態のイオンビーム制御装置Ｓａにおけるイオンビーム制御部１ａの代わりに、イオンビーム制御部１ｂを用いるものである。このため、イオンビーム生成部２および同期制御部３の説明を省略する。
【００７５】
イオンビーム制御部１ｂは、図８に示すように、イオンビームＩＢが入射され、所定の大きさのエネルギーにおける存在確率が増加するような高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転を行うギャップを複数備え、隣り合うギャップにおける高周波電場Ｅ（ｔ）の位相を１８０度ずらしている多重ギャップ高周波共振器１１ｂを備えて構成される。図８に示す例では、多重ギャップ高周波共振器１１ｂ（イオンビーム制御部１ｂ）は、第１ないし第６ギャップＧ１〜Ｇ６の６個のギャップを備えている。
【００７６】
多重ギャップ高周波共振器１１ｂは、例えば、本実施形態では、円筒形状の筐体１１１ｂと、高周波の電場Ｅ（ｔ）を生成する高周波電場生成部１１２ｂ（１１２ｂ−１〜１１２ｂ−７）と、高周波（ＲＦ）の交流電源１１５ｂとを備える。
【００７７】
高周波電場生成部１１２ｂは、イオンビームＩＢが通過すると共に当該イオンビームＩＢに高周波の電場Ｅ（ｔ）が作用するように配置された円筒形状の７個の第１ないし第７電場生成部材１１２ｂ−１〜１１２ｂ−７を備えて構成される。第１ないし第７電場生成部材１１２ｂ−１〜１１２ｂ−７は、互いに所定の距離ｇが空くように、かつ互いに中心軸が一致するように、かつ第１ないし第７電場生成部材１１２ｂ−１〜１１２ｂ−７の中心軸と筐体１１１ｂの中心軸とが互いに一致するように、筐体１１１ｂの内面から長尺方向に所定の間隔を空けて垂下または立設するロッド形状の第１ないし第７支持部材１１３ｂ−１〜１１３ｂ−７によって支持されて筐体１１１ｂ内にその一端面から他端面へ連なるようにそれぞれ配設される。このような共振器は、その構造上の点において、ヴィデレー型共振器と同様の構造である。
【００７８】
高周波電場生成部１１２ｂがこのように構成されることによって、第１電場生成部材１１２ｂ−１と第２電場生成部材１１２ｂ−２との間における第１空間（第１ギャップ）Ｇ１が形成され、第２電場生成部材１１２ｂ−２と第３電場生成部材１１２ｂ−３との間における第２空間（第２ギャップ）Ｇ２が形成され、第３電場生成部材１１２ｂ−３と第４電場生成部材１１２ｂ−４との間における第３空間（第３ギャップ）Ｇ３が形成され、第４電場生成部材１１２ｂ−４と第５電場生成部材１１２ｂ−５との間における第４空間（第４ギャップ）Ｇ４が形成され、第５電場生成部材１１２ｂ−５と第６電場生成部材１１２ｂ−６との間における第５空間（第５ギャップ）Ｇ５が形成され、そして、第６電場生成部材１１２ｂ−６と第７電場生成部材１１２ｂ−７との間における第６空間（第６ギャップ）Ｇ６が形成される。
【００７９】
電場生成部材１１２ｂ、図８（Ａ）に示す位相回転空胴の例では、第２ないし第６電場生成部材１１２ｂ−２〜１１２ｂ−６の長さＬは、（Ｌ＋ｇ）が高周波電場Ｅ（ｔ）の１／２周期の偶数倍の時間に、形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーを持ったイオンの速度を乗じた値に等しくなるように設定される。第１および第７電場生成部材１１２ｂ−１、１１２ｂ−７は、上記第１空間（第１ギャップ）および上記第６空間（第６ギャップ）をそれぞれ形成するために必要な部材であり、任意の長さでよい。
【００８０】
このように第２ないし第６電場生成部材１１２ｂ−２〜１１２ｂ−６の長さＬが設定されると、この形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーを持ったイオンは、第１ないし第６ギャップＧ１〜Ｇ６の電場Ｅ（ｔ）のそれぞれから交互に１８０度（πラジアン）異なる位相で位相回転の作用を受けることになる。一般のヴィデレー型共振器では、隣り合うギャップＧの中心位置をイオンが通過する際に電場Ｅ（ｔ）の位相が同じになるように設定されるが、本実施形態に係る多重ギャップ高周波共振器１１ｂは、この点で異なり、本実施形態に係る多重ギャップ高周波共振器１１ｂでは、隣り合うギャップＧの中心位置をイオンが通過する際に電場Ｅ（ｔ）の位相が交互に１８０度ずつ変化するように設定される。後述するように、多重ギャップ高周波共振器１１ｂにアルバレ型共振器の構造を採用した場合も同様である。
【００８１】
第１ないし第６ギャップＧ１〜Ｇ６の距離ｇは、第１の実施形態の場合と同様に、形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーを持ったイオンがギャップの飛行中における高周波電場Ｅ（ｔ）の位相を大きく変化させることなく、かつ、静電破壊が生じることなく必要とされる電圧が印加可能な距離に設定される。
【００８２】
これら筐体１１１、電場生成部材１１２ｂおよび支持部材１１４ｂは、例えば金属（合金を含む）等の導体材料から形成されており、例えば、本実施形態は、導電特性や加工性等の観点から銅から形成されている。
【００８３】
交流電源１１５ｂは、その一方端子が筐体１１１ｂに接続されると共に、その他方端子が筐体１１１ｂに穿設された貫通孔１１４ｂを介して筐体１１１ｂ内に配置され、高周波の交流電圧が印加される。貫通孔１１４ｂには、絶縁部材が充填され、前記他方端子と筐体１１１ｂとは、絶縁されている。これによって第１ないし第６ギャップＧ１〜Ｇ６のそれぞれに高周波電場（Ｅ（ｔ））が順次に半周期ずつずれて生成される。交流電源１１５ｂは、同期制御部３からの同期信号によって高周波電場Ｅ（ｔ）の位相が制御される。
【００８４】
図９は、第２の実施形態におけるイオンビーム制御部の他の構成を示す図である。
【００８５】
なお、高周波電場Ｅ（ｔ）を形成する共振器の方式としては、上述の他に、例えば、図９に示すように、第１ないし第７電場生成部材１１２ｂ−１〜１１２ｂ−７が第１ないし第７支持部材１１３ｂ−１〜１１３ｂ−７によってすべて同一方向から立設（または垂下）される共振器であってもよい。このような共振器は、その構造上の点において、アルバレ型共振器と同様の構造である。このアルバレ型共振器構造による位相回転空胴の場合では、（Ｌ＋ｇ）が高周波電場Ｅ（ｔ）の１／２周期の奇数倍の時間に、形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーを持ったイオンの速度を乗じた値に等しくなるように、第２ないし第６電場生成部材１１２ｂ−２〜１１２ｂ−６の長さＬが設定される。このようなアルバレ型共振器は、ヴィデレー型共振器に較べて電場生成部材１１２ｂの長さＬを短くすることができ、共振器の小型化が可能となる。
【００８６】
次に、イオンビーム制御装置Ｓｂの動作について説明する。
【００８７】
図１０は、第２の実施形態におけるイオンビーム制御装置によって制御されたイオンビームのエネルギースペクトルおよび所定のエネルギーにおける動径方向のイオン粒子分布を示す図である。図１１は、比較例として、イオンビーム制御装置によって制御されたイオンビームのエネルギースペクトルおよび所定のエネルギーにおける動径方向のイオン粒子分布を示す図である。図１１は、隣り合うギャップＧの位相のみ図１０の場合と相違し、隣り合うギャップＧの位相が同一とされている場合である。図１０（Ａ）および図１１（Ａ）は、エネルギースペクトルを示し、その横軸は、ＭｅＶ単位で表すエネルギーであり、その縦軸は、強度（存在確率）である。図１０（Ｂ）および（Ｃ）ならびに図１１（Ｂ）および（Ｃ）は、イオン粒子分布を示し、その横軸および縦軸は、それぞれ、ＸＹＺ直交座標系において、イオンビームＩＢの進行方向をＺ軸とした場合におけるＸ軸およびＹ軸である。図１０（Ｂ）および図１１（Ｃ）は、位相回転させた場合であり、図１０（Ｃ）および図１１（Ｂ）は、位相回転のない場合である。
【００８８】
イオンビーム生成部２は、第１の実施形態と同様に、パルスレーザ光ＰＬを固体薄膜２３に照射することによってプロトン（Ｈ＋）のイオンビームＩＢを射出し、また、パルスレーザ光ＰＬの発光のタイミングを同期制御部３へ通知する。イオンビーム生成部２から射出されたイオンビームＩＢは、イオンビーム制御部１ｂに入射される。この入射されたイオンビームＩＢは、多重ギャップ高周波共振器１１ｂに入射され、高周波電場生成部１１２ｂで高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転が行われる。
【００８９】
より具体的には、まず、この入射されたイオンビームＩＢは、第１電場生成部材１１２ｂ−１を介して第１ギャップＧ１に入射され、高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転が行われる。
【００９０】
ここで、高周波電場Ｅ（ｔ）の位相は、第１の実施形態と同様に、形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーよりも高いエネルギーを持ったイオンビームＩＢのイオンが高周波電場Ｅ（ｔ）から受ける作用によって減速し、形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーを持ったイオンビームＩＢのイオンが高周波電場Ｅ（ｔ）から作用を受けることなく、そして、形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーよりも低いエネルギーを持ったイオンビームＩＢのイオンが高周波電場Ｅ（ｔ）から受ける作用によって加速するように、イオンビームＩＢの第１ギャップＧ１への入射タイミングと同期される。本実施形態では、イオンビームＩＢのイオンが正電荷を持つので、イオンビームＩＢがギャップの中心を通過するタイミングで正弦波の高周波電場Ｅ（ｔ）が負から正に切り換わるように、パルスレーザ光ＰＬが発光するタイミングに基づく同期制御部３の同期信号であって、交流電源１１５ｂへ通知された同期制御部３の同期信号によって高周波電場Ｅ（ｔ）の位相が制御される。
【００９１】
次に、この位相回転が行われたイオンビームＩＢは、第２電場生成部材１１２ｂ−２を介して第２ギャップＧ２に入射され、高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転が行われる。次に、この位相回転が行われたイオンビームＩＢは、第３電場生成部材１１２ｂ−３を介して第３ギャップＧ３に入射され、高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転が行われる。次に、この位相回転が行われたイオンビームＩＢは、第４電場生成部材１１２ｂ−４を介して第４ギャップＧ４に入射され、高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転が行われる。次に、この位相回転が行われたイオンビームＩＢは、第５電場生成部材１１２ｂ−５を介して第５ギャップＧ５に入射され、高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転が行われる。次に、この位相回転が行われたイオンビームＩＢは、第６電場生成部材１１２ｂ−６を介して第６ギャップＧ６に入射され、高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転が行われる。そして、この位相回転が行われたイオンビームＩＢは、第７電場生成部材１１２ｂ−７から射出され、イオンビーム制御部１１ｂから射出される。
【００９２】
イオンビーム制御部１１ｂに入射したイオンビームＩＢは、このように第１ないし第６ギャップＧ１〜Ｇ６で順次に高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転が行われる。第１ないし第６ギャップＧ１〜Ｇ６における高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転は、第１の実施形態と同様に、上記式１ないし式３によって表される。
【００９３】
ここで、第１ないし第６ギャップＧ１〜Ｇ６および第２ないし第６電場生成部材１１２ｂ−２〜１１２ｂ−６の各長さＬが上述のように設定されている。このため、高周波電場Ｅ（ｔ）の方向が負から正に切り換わるタイミングでイオンビームＩＢがギャップＧの中心位置を通過するように、イオンビームＩＢがギャップＧに進入する場合では、イオンビームＩＢのエネルギー拡がりが収束される一方でイオンビームＩＢの動径方向における大きさが拡がる。そして、次のギャップＧでは、高周波電場Ｅ（ｔ）の方向が正から負に切り換わるタイミングでイオンビームＩＢがギャップＧの中心位置を通過するように、イオンビームＩＢがギャップＧに進入する。この場合では、イオンビームＩＢのエネルギー拡がりが拡散される一方でイオンビームＩＢの動径方向における大きさが収束される。したがって、第１ないし第６ギャップＧ２〜Ｇ６に入射したイオンビームＩＢは、高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転によってこの形成しようとしている強度のピークに対応するエネルギーで、エネルギーの圧縮および緩和がギャップごとに順次に繰り返され、そして、その動径方向の大きさの発散および収束がギャップごとに順次に繰り返される。
【００９４】
このように動作することにより、結果的に、イオンビーム制御装置Ｓｂは、イオンビームＩＢにおけるエネルギー拡がりの大きさおよび動径方向の大きさを制御することができ、また、イオンビームＩＢを高エネルギーにすることができる。
【００９５】
なお、イオンビームＩＢのより高エネルギー化の観点からは、高周波電場Ｅ（ｔ）の方向が負から正に切り換わるタイミングよりもずれたタイミングでイオンビームＩＢがギャップＧの中心位置を通過するように、イオンビームＩＢがギャップＧに進入するようにイオンビーム制御装置Ｓｂが構成される方が好ましい場合もある。
【００９６】
式１ないし式３を用いてシミュレーションすると、エネルギースペクトルは、アルバレ型共振器構造では、図１０（Ａ）に示すように、エネルギーが９ＭｅＶ〜１１ＭｅＶの範囲で９．６ＭｅＶ付近、１０ＭｅＶ付近および１０．５ＭｅＶ付近に３個のピークを持ったプロファイルとなっている。９．６ＭｅＶ付近のピークは、２個のローカルピークからなっており、そのエネルギーは、１０＋７から約１．７×１０＋８へ約１７倍になっている。１０ＭｅＶ付近のピークは、単一のピークからなっており、そのエネルギーは、１０＋７から約３．３×１０＋８へ約３３倍になっている。そして、１０．５ＭｅＶ付近のピークは、２個のローカルピークからなっており、そのエネルギーは、１０＋７から約３×１０＋８へ約３０倍になっている。さらに、図１０（Ｂ）と図１０（Ｃ）を比較すると分かるように、例えば、１０ＭｅＶ付近のピークでは、エネルギー密度が一様な状態を維持しつつ動径方向の直径が高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転を行わない図１０（Ｃ）の場合（直径約０．０２４ｍの分布）に較べて高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転を行った図１０（Ｂ）の場合（直径約０．０２２ｍの分布）の方が小さく成っている。
【００９７】
これに対し、比較例として、隣り合うギャップＧにおける高周波電場Ｅ（ｔ）の位相を１８０度ずらすことなく、高周波電場Ｅ（ｔ）の位相が常に負から正へ転換するタイミングでイオンビームＩＢが各ギャップＧの中央位置を通過するように設定されている場合、すなわち、エネルギー圧縮のみを行う場合では、図１１に示すように、動径方向に発散している。
【００９８】
２００ＭｅＶで強度のピークを持つように多重ギャップ高周波共振器１１ｂを設計して式１ないし式３を用いてシミュレーションすると、エネルギースペクトルは、アルバレ型共振器構造では、図１１（Ａ）に示すように、エネルギーが１９０ＭｅＶ〜２１０ＭｅＶの範囲で単一のピークを持ったプロファイルとなっており、そのピークのエネルギーは、１０＋７から１０＋９へ１００倍になっている。そして、図１１（Ｂ）と図１１（Ｃ）を比較すると分かるように、そのピークでは、エネルギー密度が一様な状態を維持しつつ動径方向の直径が高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転を行わない図１１（Ｂ）の場合（直径約０．０２８ｍの分布）に較べて高周波電場Ｅ（ｔ）による位相回転を行った図１１（Ｃ）の場合（直径約０．０３２ｍの分布）の方が大きく成っている。
【００９９】
なお、シミュレーションに当たって、イオンビームＩＢの発生位置（固体薄膜２３の配置位置）から多重ギャップ高周波共振器１１ｂの第１電場生成部材１１２ｂ−１へイオンビームＩＢが入射する位置までの距離は、１ｍに設定された。高周波電場Ｅ（ｔ）の周波数は、１．６ＧＨｚに設定され、第２ないし第６電場生成部材１１２ｂ−２〜１１２ｂ−６の長さＬは、８．６２ｃｍに設定され、第１ないし第６ギャップＧ１〜Ｇ６は、２ｃｍに設定された。
【０１００】
本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更及び/又は改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。従って、当業者が実施する変更形態又は改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態又は当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】実施形態におけるイオンビーム制御装置の構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態におけるイオンビーム制御部の構成を示す図である。
【図３】パルスレーザ光の発光タイミングと高周波電場の位相との関係を示す図である。
【図４】実験結果およびシミュレーション結果を示す図である。
【図５】第１の実施形態におけるイオンビーム制御装置によって制御されたイオンビームのエネルギースペクトルおよび所定のエネルギーにおける動径方向のイオン粒子分布を示す図（その１）である。
【図６】第１の実施形態におけるイオンビーム制御装置によって制御されたイオンビームのエネルギースペクトルおよび所定のエネルギーにおける動径方向のイオン粒子分布を示す図（その２）である。
【図７】第１の実施形態におけるイオンビーム制御装置によって制御されたイオンビームのエネルギースペクトルおよび所定のエネルギーにおける動径方向のイオン粒子分布を示す図（その３）である。
【図８】第２の実施形態におけるイオンビーム制御部の構成を示す図である。
【図９】第２の実施形態におけるイオンビーム制御部の他の構成を示す図である。
【図１０】第２の実施形態におけるイオンビーム制御装置によって制御されたイオンビームのエネルギースペクトルおよび所定のエネルギーにおける動径方向のイオン粒子分布を示す図である。
【図１１】比較例として、イオンビーム制御装置によって制御されたイオンビームのエネルギースペクトルおよび所定のエネルギーにおける動径方向のイオン粒子分布を示す図である。
【図１２】従来のイオンビーム制御装置の構成を示す図である。
【図１３】イオンビームのエネルギーに対する強度分布を示す図である。
【図１４】イオンビームの位相回転を説明するための図である。
【符号の説明】
【０１０２】
Ｓａ、Ｓｂ イオンビーム制御装置
１ａ、１ｂ イオンビーム制御部
２ イオンビーム生成部
３ 同期制御部
１１ａ 二重ギャップ高周波共振器
１１ｂ 多重ギャップ高周波共振器
１２ コリメータ
１１２ａ、１１２ｂ 電場生成部材
１１５ａ、１１５ｂ 交流電源
１２１ 磁場生成部
１２２ 透過遮断部
１２２１ 貫通孔
２１ レーザ光源
２２ 光学系
２３ 固体薄膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビームが入射され、所定の大きさのエネルギー拡がりおよび動径方向における所定の大きさの直径で前記イオンビームが射出されるように、前記所定の大きさのエネルギーにおける存在確率が増加するような高周波電場による位相回転を少なくとも利用することによって前記イオンビームを制御するイオンビーム制御部を備えること
を特徴とするイオンビーム制御装置。
【請求項２】
前記イオンビーム制御部は、
前記イオンビームが入射され、前記高周波電場による位相回転を行うギャップを備える高周波共振器と、
前記高周波共振器から射出されたイオンビームが入射され、該入射されたイオンビームを前記所定の大きさのエネルギーおよび前記動径方向における所定の大きさの直径で射出するコリメータとを備えること
を特徴とする請求項１に記載のイオンビーム制御装置。
【請求項３】
前記イオンビーム制御部は、
前記イオンビームが入射され、前記高周波電場による位相回転を行う複数のギャップを備え、隣り合うギャップにおける高周波電場の位相が１８０度ずれている多重ギャップ高周波共振器を備えること
を特徴とする請求項１に記載のイオンビーム制御装置。
【請求項４】
前記イオンビーム制御部に入射されるイオンビームを生成するイオンビーム生成部をさらに備えること
を特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載のイオンビーム制御装置。
【請求項５】
前記イオンビーム生成部は、パルスレーザ光を固体薄膜に照射することによってイオンビームを生成するレーザ生成イオンビーム生成装置であること
を特徴とする請求項４に記載のイオンビーム制御装置。
【請求項６】
前記高周波電場の周波数は、前記パルスレーザ光の周波数の整数倍であること
を特徴とする請求項５に記載のイオンビーム制御装置。
【請求項７】
前記イオンビームの入射方向における電場方向が転換するタイミングで前記イオンビームが前記ギャップの中心位置に入射されるように、前記イオンビーム制御部における前記高周波電場の位相と前記イオンビーム生成部におけるイオンビームの生成タイミングとの同期を制御する同期制御部をさらに備えること
を特徴とする請求項２ないし請求項６の何れか１項に記載のイオンビーム制御装置。
【請求項８】
イオンビームが入射される工程と、
所定の大きさのエネルギーにおける存在確率が増加するように高周波電場による位相回転によって前記イオンビームの存在確率を制御する工程と、
前記所定の大きさのエネルギーおよび動径方向における所定の大きさの直径となるように、前記イオンビームのエネルギー拡がりおよび動径方向の直径を制御する工程とを備えること
を特徴とするイオンビーム制御方法。
【請求項９】
イオンビームが入射される工程と、
前記所定の大きさのエネルギー拡がりおよび動径方向における所定の大きさの直径となるように、前記所定の大きさのエネルギーにおける存在確率が増加するような高周波電場による位相回転を複数繰り返す工程とを備えること
を特徴とするイオンビーム制御方法。
【請求項１】
イオンビームが入射され、所定の大きさのエネルギー拡がりおよび動径方向における所定の大きさの直径で前記イオンビームが射出されるように、前記所定の大きさのエネルギーにおける存在確率が増加するような高周波電場による位相回転を少なくとも利用することによって前記イオンビームを制御するイオンビーム制御部を備えること
を特徴とするイオンビーム制御装置。
【請求項２】
前記イオンビーム制御部は、
前記イオンビームが入射され、前記高周波電場による位相回転を行うギャップを備える高周波共振器と、
前記高周波共振器から射出されたイオンビームが入射され、該入射されたイオンビームを前記所定の大きさのエネルギーおよび前記動径方向における所定の大きさの直径で射出するコリメータとを備えること
を特徴とする請求項１に記載のイオンビーム制御装置。
【請求項３】
前記イオンビーム制御部は、
前記イオンビームが入射され、前記高周波電場による位相回転を行う複数のギャップを備え、隣り合うギャップにおける高周波電場の位相が１８０度ずれている多重ギャップ高周波共振器を備えること
を特徴とする請求項１に記載のイオンビーム制御装置。
【請求項４】
前記イオンビーム制御部に入射されるイオンビームを生成するイオンビーム生成部をさらに備えること
を特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載のイオンビーム制御装置。
【請求項５】
前記イオンビーム生成部は、パルスレーザ光を固体薄膜に照射することによってイオンビームを生成するレーザ生成イオンビーム生成装置であること
を特徴とする請求項４に記載のイオンビーム制御装置。
【請求項６】
前記高周波電場の周波数は、前記パルスレーザ光の周波数の整数倍であること
を特徴とする請求項５に記載のイオンビーム制御装置。
【請求項７】
前記イオンビームの入射方向における電場方向が転換するタイミングで前記イオンビームが前記ギャップの中心位置に入射されるように、前記イオンビーム制御部における前記高周波電場の位相と前記イオンビーム生成部におけるイオンビームの生成タイミングとの同期を制御する同期制御部をさらに備えること
を特徴とする請求項２ないし請求項６の何れか１項に記載のイオンビーム制御装置。
【請求項８】
イオンビームが入射される工程と、
所定の大きさのエネルギーにおける存在確率が増加するように高周波電場による位相回転によって前記イオンビームの存在確率を制御する工程と、
前記所定の大きさのエネルギーおよび動径方向における所定の大きさの直径となるように、前記イオンビームのエネルギー拡がりおよび動径方向の直径を制御する工程とを備えること
を特徴とするイオンビーム制御方法。
【請求項９】
イオンビームが入射される工程と、
前記所定の大きさのエネルギー拡がりおよび動径方向における所定の大きさの直径となるように、前記所定の大きさのエネルギーにおける存在確率が増加するような高周波電場による位相回転を複数繰り返す工程とを備えること
を特徴とするイオンビーム制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図８】
【図９】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図８】
【図９】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００８−２８６７４２（Ｐ２００８−２８６７４２Ａ）
【公開日】平成２０年１１月２７日（２００８．１１．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１３４１３２（Ｐ２００７−１３４１３２）
【出願日】平成１９年５月２１日（２００７．５．２１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１７年度電源開発促進対策特別会計受託事業「先進小型加速器の要素技術の普及事業」、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受けるもの）
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【出願人】（３０１０３２９４２）独立行政法人放射線医学総合研究所 (149)
【出願人】（５０５３７４７８３）独立行政法人 日本原子力研究開発機構 (727)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月２７日（２００８．１１．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月２１日（２００７．５．２１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１７年度電源開発促進対策特別会計受託事業「先進小型加速器の要素技術の普及事業」、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受けるもの）
【出願人】（５０４１３２２７２）国立大学法人京都大学 (1,269)
【出願人】（３０１０３２９４２）独立行政法人放射線医学総合研究所 (149)
【出願人】（５０５３７４７８３）独立行政法人 日本原子力研究開発機構 (727)
【Ｆターム（参考）】
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