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TIARAイオン注入装置におけるイオン生成法の開発

Ion generation method for TIARA Ion Implanter

山田 圭介; 大越 清紀; 齋藤 勇一; 織茂 貴雄*; 大前 昭臣*; 山田 尚人*; 水橋 清

Yamada, Keisuke; Okoshi, Kiyonori; Saito, Yuichi; Orimo, Takao*; Omae, Akiomi*; Yamada, Naoto*; Mizuhashi, Kiyoshi

高崎量子応用研究所のイオン照射研究施設(TIARA)の400kVイオン注入装置では、搭載しているフリーマンイオン源を使用して、材料科学やバイオ技術に関する研究開発を中心とする数多くの実験利用にイオンビームとして提供してきた。これまで、フリーマンイオン源によるイオン生成は、ガス状試料を使用するガス方式,固体で蒸気圧が高い試料を用いるオーブン方式が用いられてきた。しかし、実験の高度化及び多様化が進むにつれ、これらの方式では生成が困難なイオン種への要望が多くあったため、各々の試料物性に適したイオン発生方式の開発を進めてきた。その結果、高融点の物質に対してはディスク方式,高融点かつ低蒸気圧の物質に対してはSF$$_{6}$$プラズマ方式,2400$$^{circ}$$C以上の融点を有する金属に対してはフィラメント方式を新たに開発し、物質の特性に合った方式を選択することで、これまでに水素からビスマスまでの元素のうち、44種類のイオンを生成し加速した。さらに、加速エネルギーを高めることを目的に多価イオンの生成が容易な小型ECRイオン源(MINI-ECR)を開発した。本報告書では、これらのイオン生成技術と生成したイオン種について、その生成方法,得られるビーム電流量,マススペクトル及び各イオンを安定に引き出すための運転パラメータ等をまとめ報告する。

The 400 kV ion implanter at the Takasaki Ion Accelerators for Advanced Radiation Application facility (TIARA) provides ion beams for various experiments of research and development (R&D's) mainly on materials science and biotechnology using Freeman ion sources. Two methods of ionization are generally used to a Freeman ion source. In one method, a sample gas is directly fed to the plasma chamber, and in the other, vapor of a solid material having high vapor pressure is vaporized by an oven and fed. Those methods, however, can supply limited number of ion species of those required from various R&D's. We have developed new methods available to materials which are difficult to vaporize by an oven: the disc method for high melting point materials, the SF$$_{6}$$ plasma method for high melting point and low vapor pressure materials, the filament method for metals with melting point higher than 2400 $$^{circ}$$C, and one of them is chosen according to the nature of a material. Forty four ion species from hydrogen to bismuth are generated by using the Freeman ion sources to date. Furthermore, a small ECR (electron cyclotron resonance) ion source is also developed to generate multiply charged ions for acceleration to higher energies.

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