JP2001099995A - Laser beam containment method, laser beam containment device using this method, and charge conversion device for and ionization device for tandem accelerator using this device - Google Patents
Laser beam containment method, laser beam containment device using this method, and charge conversion device for and ionization device for tandem accelerator using this deviceInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ光を用いて
原子または分子をイオン化させる光イオン化の方法及び
装置、ならびにこの装置を用いたタンデム型加速器の荷
電変換装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and a device for photoionization in which atoms or molecules are ionized using laser light, and a charge conversion device for a tandem accelerator using the device.
【０００２】[0002]
【従来の技術】イオン化した原子や分子を高速に加速す
る加速器としてタンデム型(静電)加速器がある。これ
は、バンデグラーフ（Van de Graaff）やコッククロフ
ト・ウォルトン（Cockcroft・Walton）型の高電圧発生器
などにより発生された数百キロボルトから数十メガボル
トの高電圧の電位を中央電極に印可し、この中央電極の
両側に接続されて１０-8 Torrオーダの高真空に保たれ
た加速管の両端部をアース電位とすることにより加速管
内部のイオンを加速する装置である。一方の加速管（負
イオン加速管）のアース端から注入された負イオンは、
正の高電圧が印可された中央電極に向けて引力によって
加速される。中央電極部にはイオンから電子を剥ぎ取る
荷電変換装置が配設されており、中央電極に到達した負
イオンは荷電変換装置を通過するときに幾つかの電子が
剥ぎ取られて多価の正イオンに変換される。この結果、
今度は正の高電圧による斥力を受けることとなるため、
もう一方の加速管（正イオン加速管）内で再び加速され
る。すなわち一つの中央電極に印可する高電圧によりそ
のエネルギーを２回利用してイオン加速を行うことがで
きる加速装置である。2. Description of the Related Art Tandem type (electrostatic) accelerators are known as accelerators for accelerating ionized atoms and molecules at high speed. This applies a high voltage potential of several hundred kilovolts to several tens of megavolts generated by a Van de Graaff or Cockcroft / Walton type high voltage generator to the central electrode. This device accelerates ions inside the accelerating tube by setting both ends of the accelerating tube connected to both sides of the central electrode and kept in a high vacuum of the order of 10 -8 Torr at a ground potential. Negative ions injected from the ground end of one accelerator tube (negative ion accelerator tube)
The positive high voltage is accelerated by the attraction toward the applied central electrode. A charge conversion device that strips electrons from the ions is provided at the center electrode. Negative ions that reach the center electrode are stripped of some electrons when passing through the charge conversion device, and are charged with multiple charges. Converted to ions. As a result,
This time, because you will receive a repulsive force by a positive high voltage,
It is accelerated again in the other accelerating tube (positive ion accelerating tube). That is, this is an acceleration device that can perform ion acceleration by using the energy twice by a high voltage applied to one central electrode.
【０００３】ここで、中央電極部に配設されて負イオン
の電子を剥ぎ取る荷電変換装置は、従来では、イオンと
元素との相互作用により注入されたイオンの持つ電子を
剥ぎ取る手法が用いられており、通常は炭素などの薄膜
(例えば10mg/cm2程度)を用いた固体荷電変換装置(C-foi
l Stripper)、または、真空ポンプによる差動排気シス
テムを用いて構成するキャナル内にアルゴンや窒素等の
希薄ガスを閉じ込めたガス荷電変換装置(Gas Stripper)
のいずれかが用いられている。上記加速器の原理から明
らかなように、正イオン加速管内ではイオン価の高い正
イオンほど大きな斥力を受けて強く加速される。このた
め、荷電変換装置は荷電変換状態(多価イオンの分布状
態)とそれぞれの荷電変換効率とを制御可能であること
が重要な要件となる。[0003] Here, a charge conversion device arranged on the central electrode portion for stripping negative ion electrons has conventionally used a technique of stripping electrons of ions implanted by the interaction between ions and elements. It is usually a thin film of carbon etc.
(E.g. 10 mg / cm 2 or so) solid charge converter using the (C-foi
l Stripper) or a gas charge conversion device (Gas Stripper) in which a rare gas such as argon or nitrogen is confined in a canal constructed using a differential evacuation system using a vacuum pump
Is used. As is clear from the principle of the accelerator, positive ions having higher ionic valency receive a larger repulsive force and are strongly accelerated in the positive ion accelerator. Therefore, it is an important requirement that the charge conversion device can control the charge conversion state (the distribution state of the multiply-charged ions) and the respective charge conversion efficiencies.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な荷電変換装置の荷電変換効率は、この変換装置に注入
されるイオンのエネルギー、及び、固体荷電変換装置に
おける薄膜の膜圧、ガス荷電変換装置におけるガス圧力
を主要パラメータとして決められる。従って、荷電変換
効率を変化させるためには、これ等パラメータを変化さ
せればよいわけであるが、固体荷電変換装置において
は、一度薄膜を加速器にセットすると加速器の使用中に
膜厚を任意に調整し制御することができない。このた
め、例えば加速後の荷電変換状態を検出してその変換状
態を最適化しようとしても、これを制御することが実質
的に不可能であるという問題を有していた。Incidentally, the charge conversion efficiency of the above-described charge conversion device depends on the energy of ions injected into the conversion device, the film pressure of the thin film in the solid charge conversion device, and the gas charge conversion. The gas pressure at the device can be determined as the main parameter. Therefore, in order to change the charge conversion efficiency, it is sufficient to change these parameters.However, in a solid-state charge conversion device, once the thin film is set in the accelerator, the film thickness can be arbitrarily set during use of the accelerator. Inability to adjust and control. For this reason, for example, even if the charge conversion state after acceleration is detected and the conversion state is to be optimized, there is a problem that it is practically impossible to control the state.
【０００５】また、ガス荷電変換装置においては、ガス
圧力を変化させることにより荷電変換効率の最適化を行
うことが可能であるため、上記固体荷電変換装置のよう
な荷電変換状態制御上の問題は解決することができる。
しかし、このガス荷電変換装置では、加速されたイオン
を１０-2〜１０-1 Torrオーダのガス圧力に調整された
キャナル内を通過させなければならないため、その入口
と出口とが高真空の加速管方向に向けて開いている必要
がある（現実的にはφ10〜20mm程度の開口が必要とな
る）。このため、ガス荷電変換装置では差動排気システ
ムが構成されているが、加速管方向へのリーク(漏れ)を
完全に無くすことはガスの分子運動により原理的に不可
能であり、正イオン加速管及び負イオン加速管の両者に
はリークしたガス分子が存在することになる。Further, in the gas charge conversion device, the charge conversion efficiency can be optimized by changing the gas pressure. Can be solved.
However, in this gas charge conversion device, the accelerated ions must pass through a canal adjusted to a gas pressure of the order of 10 -2 to 10 -1 Torr. It is necessary to open in the direction of the tube (actually, an opening of about 10 to 20 mm is required). For this reason, the gas charge converter has a differential pumping system, but it is impossible in principle to completely eliminate leaks (leakage) in the direction of the accelerating tube due to the molecular motion of the gas. Leaked gas molecules will be present in both the tube and the negative ion accelerator.
【０００６】この結果、これ等加速管内では荷電変換装
置内部より低いガス圧力の下で荷電変換が生じ、様々な
エネルギーを持つ(制御不能な)バックグラウンド・イオ
ンが発生する原因となっていた。そして、この様なバッ
クグラウンド・イオンの存在は加速されたイオンビーム
を用いる多くの用途にとってノイズとして作用する。例
えば、加速器質量分析においては分析精度が悪化すると
いう問題に直結していた。このようなガスのリークに起
因する課題は、ガスを荷電変換媒体として用いるガス荷
電変換装置にとって装置の構成上本質的な問題であると
いえる。また、ガスのリークを低減化させるため荷電変
換装置のキャナルが長尺化し、タンデム型加速器が大型
化するという課題も有していた。As a result, charge conversion occurs in these accelerating tubes under a lower gas pressure than in the charge conversion device, causing (uncontrollable) background ions having various energies to be generated. And the presence of such background ions acts as noise for many applications using accelerated ion beams. For example, in accelerator mass spectrometry, this has been directly linked to the problem that the analysis accuracy deteriorates. It can be said that such a problem caused by gas leakage is an essential problem in a gas charge conversion device using a gas as a charge conversion medium in terms of the configuration of the device. In addition, there has been a problem that the length of the canal of the charge conversion device is increased in order to reduce gas leakage, and the size of the tandem accelerator is increased.
【０００７】本発明は上記のような課題に鑑みて成され
たものであり、荷電変換装置に打ち込まれるイオンの荷
電変換状態を、ガス荷電変換装置と同様に制御可能にす
るとともに、荷電変換装置からのガスリークに起因する
問題を解決した荷電変換装置を提供することを目的と
し、さらに、この目的達成のため、高エネルギーのレー
ザビームを高効率で原子や分子に照射することによりイ
オン化する方法及び装置を提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and enables the charge conversion state of ions to be implanted into a charge conversion device to be controlled in the same manner as a gas charge conversion device. To provide a charge conversion device that solves the problem caused by gas leaks from, and to achieve this object, a method of ionizing by irradiating atoms and molecules with a high-energy laser beam with high efficiency and It is intended to provide a device.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】上記目的達成のため、本
発明では、上下に延びる中心軸の上部と下部とに開口を
有し、中心軸を軸心として上下の開口に向けて縮径され
た略円筒形の内面形状を有するとともに、内面がレーザ
光を反射する反射鏡面に形成された反射筒と、この反射
筒に配設されて反射筒側面から反射鏡面内にレーザ光を
導入可能に形成されたレーザ光導入部とからなり、レー
ザ光源から射出されたレーザ光をレーザ光導入部から所
定の入射角で入射させて反射筒内の反射面で多重反射さ
せることにより、入射されたレーザ光を反射筒内に閉じ
込めるようにレーザ光閉じ込め装置を構成する。In order to achieve the above-mentioned object, according to the present invention, an opening is provided at an upper portion and a lower portion of a vertically extending central axis, and the diameter of the central axis is reduced toward the upper and lower openings around the central axis. It has a substantially cylindrical inner surface shape, and has a reflecting tube whose inner surface is formed on a reflecting mirror surface that reflects laser light, and is disposed on this reflecting tube so that laser light can be introduced into the reflecting mirror surface from the side surface of the reflecting tube. The laser beam emitted from the laser light source is made incident from the laser light introducing portion at a predetermined angle of incidence and multiple-reflected on the reflection surface in the reflection tube, thereby forming the laser beam. A laser light confinement device is configured to confine light in the reflection tube.
【０００９】そして、上記のように形成されたレーザ光
閉じ込め装置のレーザ光導入部から、反射筒中心軸の軸
心を除く軸心近傍を通過して反対側の反射面に到達する
入射角（上記所定の入射角）でレーザ光を入射させ、反
射筒内で多重反射させることにより入射されたレーザ光
を反射筒内に閉じ込める。Then, the incident angle (from the laser light introducing portion of the laser light confinement device formed as described above, passing through the vicinity of the axis except for the axis of the central axis of the reflecting cylinder and reaching the opposite reflecting surface ( The laser beam is incident at the above-mentioned predetermined incident angle), and the reflected laser beam is confined in the reflecting tube by multiple reflection in the reflecting tube.
【００１０】この様なレーザ光閉じ込め方法及び装置に
よれば、同一中心軸を有して両端の絞られた略円筒形の
反射面を有する反射筒内に、軸心をわずかに外して入射
されたレーザ光は、対峙する反射面で反射され入射時と
反対側の軸心近傍を通過して導入部と異なる反射面に到
達する。そしてこの反射面で反射され再び軸心近傍を通
過して前回とは異なった対峙面に到達し反射される。す
なわち、円筒面に軸心をわずかに外してレーザ光を入射
させることにより、軸心と直交する同一平面内において
常に軸心近傍を通過させてレーザ光を多重反射させるこ
とができる。また、レーザ光導入部を絞られた両端近傍
部に設けるか、若しくは入射光を中心軸の軸線方向にわ
ずかに傾けて入射させる等により、上記のように円筒反
射面で多重反射する反射光は同一平面内ではなく円筒の
軸方向にわずかずつ移動する立体的な多重反射とするこ
とができる。According to such a method and apparatus for confining laser light, the laser light is incident on the reflecting cylinder having the same central axis and having a substantially cylindrical reflecting surface narrowed at both ends with its axis slightly deviated. The reflected laser light is reflected by the opposing reflecting surface, passes through the vicinity of the axis on the side opposite to that at the time of incidence, and reaches a reflecting surface different from the introduction portion. Then, the light is reflected by this reflecting surface, passes through the vicinity of the axis again, reaches a facing surface different from the previous one, and is reflected. That is, by making the laser light incident on the cylindrical surface slightly off the axis, the laser light can be reflected multiple times by always passing near the axis in the same plane perpendicular to the axis. In addition, by providing the laser light introducing portions near the narrowed ends or by making incident light slightly inclined in the axial direction of the central axis, the reflected light that is multiple-reflected by the cylindrical reflecting surface as described above is It can be a three-dimensional multiple reflection that moves slightly in the axial direction of the cylinder instead of in the same plane.
【００１１】上下の開口部近傍が縮径され絞られている
のは、この様に立体的に反射する多重反射光が、この反
射筒から外部に飛び出さないように形成されたものであ
り、中心軸に対して軸線方向に傾いて縮径部に入射する
多重反射光を、絞られた傾斜面で反射筒の内方に折り返
す役割を持つ。このため、入口及び出口開口近傍の傾斜
角は反射筒内でのビームの振る舞いを光線追跡すること
により算出され規定される。従って、この様に構成され
た反射筒では常に軸心近傍を通り多重反射するレーザ光
を立体的に閉じ込めることができ、とくに軸心近傍部の
パワー密度(エネルギー)が極めて高い閉じ込め装置を得
ることができる。なお、閉じ込められたレーザ光は、こ
の反射筒内に存在する原子や分子等を励起することによ
ってエネルギーを移譲し、また、反射鏡面の反射損失等
により最終的に減衰して消滅する。The reason why the diameters of the upper and lower openings are reduced and converged is that the multiple reflected light that is reflected three-dimensionally is formed so as not to jump out of the reflecting tube. The multiple reflection light which is inclined in the axial direction with respect to the central axis and enters the reduced-diameter portion has a role of turning inward of the reflecting cylinder by a narrowed inclined surface. For this reason, the inclination angles near the entrance and exit openings are calculated and defined by ray tracing the behavior of the beam in the reflector tube. Therefore, the reflecting tube configured as described above can always three-dimensionally confine a laser beam that passes through the vicinity of the axis and is multiply reflected, and in particular obtains a confinement device in which the power density (energy) near the axis is extremely high. Can be. The confined laser light transfers energy by exciting atoms, molecules, and the like existing in the reflecting cylinder, and finally attenuates and disappears due to reflection loss of the reflecting mirror surface.
【００１２】また、本発明に係る荷電変換装置は、タン
デム型加速器に注入された荷電粒子の荷電変換を行う荷
電変換装置であって、タンデム型加速器の加速管外部に
配設されてレーザ光を射出するレーザ光源と、中央電極
部において加速管の中心軸と同一軸方向に延びて配設さ
れた上記レーザ光閉じ込め装置と、レーザ光源から射出
されたレーザ光をレーザ光閉じ込め装置のレーザ光導入
部に所定の入射角で入射させる導入光学系とから構成さ
れる。そして、レーザ光源から射出されたレーザ光を導
入光学系により所定の入射角でレーザ光導入部に入射さ
せてレーザ光閉じ込め装置の反射筒内に閉じ込め、この
反射筒内に閉じ込められたレーザ光によって反射筒の中
心軸近傍領域を通って反射筒内を通過する荷電粒子の荷
電変換を行う。Further, a charge conversion device according to the present invention is a charge conversion device for performing charge conversion of charged particles injected into a tandem accelerator, and is provided outside an acceleration tube of the tandem accelerator to emit laser light. A laser light source to be emitted, the above-described laser light confinement device provided in the central electrode portion so as to extend in the same axis direction as the central axis of the acceleration tube, and a laser light confinement device for introducing the laser light emitted from the laser light source. And an introduction optical system for causing the light to enter the portion at a predetermined incident angle. Then, the laser light emitted from the laser light source is made incident on the laser light introducing portion at a predetermined incident angle by the introduction optical system, and is confined in the reflection tube of the laser light confinement device. Charge conversion of charged particles passing through the inside of the reflecting cylinder through a region near the central axis of the reflecting cylinder is performed.
【００１３】上述のように、本発明に係るレーザ光閉じ
込め装置に蓄えられるエネルギーは、その中心軸近傍領
域のパワー密度が極めて高いエネルギー分布を持つ。従
って、上記のように、タンデム型加速器の中央電極部に
おいて加速管の中心軸と同一軸方向に延びてレーザ光閉
じ込め装置を配設し、目的とする荷電粒子を光イオン化
するに適した波長及びエネルギーのレーザ光を注入する
ことにより、効率的に荷電粒子を励起し荷電変換するこ
とができる。なお、加速管の中心軸（すなわち荷電粒子
の通過する中心軸）とレーザ光閉じ込め装置の光学的な
中心軸との整合は、反射筒内でのレーザ光のエネルギー
分布に応じて調整され、例えば、加速管の中心軸に対し
てわずかにオフセットさせて平行に配設し、あるいは、
反射筒の中心軸中央において加速管中心軸と交差してわ
ずかに傾斜させて配設する。なお、これ等を外部から調
整可能に構成することは、より好ましい実施形態といえ
る。As described above, the energy stored in the laser light confinement device according to the present invention has an energy distribution in which the power density in the region near the central axis is extremely high. Therefore, as described above, a laser beam confinement device is provided extending in the same axis direction as the central axis of the accelerator tube at the central electrode portion of the tandem accelerator, and a wavelength and a wavelength suitable for photoionizing the target charged particles are provided. By injecting energy laser light, charged particles can be efficiently excited and charge-converted. The alignment between the central axis of the accelerating tube (that is, the central axis through which the charged particles pass) and the optical central axis of the laser light confinement device is adjusted in accordance with the energy distribution of the laser light in the reflection tube. , Arranged slightly parallel to the center axis of the accelerating tube, or
At the center of the center axis of the reflecting tube, it is disposed so as to be slightly inclined to intersect with the center axis of the accelerating tube. It should be noted that it is a more preferable embodiment that these can be adjusted from the outside.
【００１４】本発明に係るイオン化装置は、レーザ光を
射出するレーザ光源と上記レーザ光閉じ込め装置と、レ
ーザ光源から射出されたレーザ光をレーザ光閉じ込め装
置のレーザ光導入部に所定の入射角で入射させる導入光
学系と、レーザ光閉じ込め装置の反射筒内にガスを供給
するガス供給手段と、反射筒の開口の近傍に配設されて
反射筒内の荷電粒子を反射筒から引き出し又は押し出す
ための引き出し電極および押し出し電極の少なくとも一
方の電極とを有し、レーザ光源から射出されたレーザ光
を導入光学系により所定の入射角でレーザ光導入部に入
射させ、入射されたレーザ光をレーザ光閉じ込め装置の
反射筒内に閉じ込め、閉じ込められたレーザ光によって
反射筒内に供給されたガスのイオン化を行うとともに、
上記電極によりイオン化された荷電粒子の取り出しを行
うことを特徴とする。According to the present invention, there is provided an ionization apparatus comprising a laser light source for emitting laser light, the laser light confinement device, and a laser light emitted from the laser light source which is incident on a laser light introduction section of the laser light confinement device at a predetermined incident angle. An introducing optical system to be incident, gas supply means for supplying gas into the reflecting tube of the laser beam confinement device, and a charged particle disposed in the vicinity of the opening of the reflecting tube to draw or push charged particles in the reflecting tube from the reflecting tube. A laser beam emitted from a laser light source is made to enter a laser beam introducing portion at a predetermined incident angle by a introducing optical system, and the incident laser beam is made into a laser beam. While confined in the reflection tube of the confinement device and ionizing the gas supplied into the reflection tube by the confined laser light,
It is characterized in that the charged particles ionized by the electrode are taken out.
【００１５】また、本発明に係る他のイオン化装置で
は、上記ガス供給手段は反射筒の一の開口部近傍に配設
された試料にレーザ光を照射させて試料を蒸発させガス
化させるための第２のレーザ光源と照射光学系とを有
し、ガス化させた試料ガスを反射筒内部に導入するよう
構成する。In another ionization apparatus according to the present invention, the gas supply means is for irradiating a sample disposed near one opening of the reflecting tube with a laser beam to evaporate the sample to gasify it. It has a second laser light source and an irradiation optical system, and is configured to introduce a gasified sample gas into the reflection tube.
【００１６】この様な構成によれば、レーザ光閉じ込め
装置を用いて反射筒内に供給されるガスを光イオン化法
により効率的にイオン化させ、取り出し電極及び押し出
し電極によってイオン化した荷電粒子を容易に取り出す
ことができる。従って、この様な装置によれば、気体や
固体を効率的にイオン化して取り出すことができるた
め、イオン化された元素の存在量や同位対比などを測定
する通常の（加速器を用いない）質量分析計のイオン源
として有用に活用することができる。なお、試料に対応
した特定波長のレーザ光を用い、必要に応じてこれを適
宜組み合わせて多段励起することとすれば、特定質量数
の分子、原子のみを選択的にイオン化して取り出すイオ
ン源とすることも可能である。According to such a configuration, the gas supplied into the reflecting cylinder is efficiently ionized by the photoionization method using the laser light confinement device, and the charged particles ionized by the extraction electrode and the extrusion electrode can be easily converted. Can be taken out. Therefore, according to such an apparatus, a gas or a solid can be efficiently ionized and taken out. Therefore, a normal (without using an accelerator) mass spectrometer for measuring the abundance and isotope ratio of the ionized element is used. It can be used effectively as a meter ion source. If laser light of a specific wavelength corresponding to the sample is used, and if necessary, it is appropriately combined and excited in multiple stages, an ion source that selectively ionizes and extracts only molecules and atoms of a specific mass number can be obtained. It is also possible.
【００１７】[0017]
【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施の形
態について図面を参照して説明する。まず、図１は本発
明に係るレーザ光閉じ込め装置を、円筒中心軸を含む面
における断面図として示したものであり、このレーザ光
閉じ込め装置１は反射筒１０により構成されている。反
射筒１０は中心軸１５を共通軸心として上下に延びる円
筒部１０ａと、この円筒部１０ａの上下に形成されたテ
ーパ部１０ｂ，１０ｂとからなり、上下のテーパ部の端
部には開口１３，１４が形成されている。また反射筒１
０には、反射筒内に反射筒外側面からレーザ光を導入す
るための導入開口１１が形成され、反射筒内面にはレー
ザ光を全反射する反射鏡面１２が形成されている。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. First, FIG. 1 shows a laser light confinement device according to the present invention as a cross-sectional view along a plane including a central axis of a cylinder. The reflecting cylinder 10 includes a cylindrical portion 10a extending vertically with the central axis 15 as a common axis, and tapered portions 10b, 10b formed above and below the cylindrical portion 10a. Openings 13 are formed at the ends of the upper and lower tapered portions. , 14 are formed. In addition, reflection tube 1
In 0, an introduction opening 11 for introducing laser light from the outer surface of the reflecting tube is formed in the reflecting tube, and a reflecting mirror surface 12 for totally reflecting the laser light is formed on the inner surface of the reflecting tube.
【００１８】反射筒１０は、この反射筒を適用する用途
及び使用するレーザ波長に対応した材質を適宜選択して
構成される。例えば、後述するイオン源や荷電変換装置
として用いる場合には、合成石英や、ＢＫ７,ゼロデュ
ア等の工学ガラス、サファイヤやセラミックなどの無機
材料を用い、公知の研磨法により鏡面研磨した後、Ａu
やＡg、Ｔi等の金属薄膜や誘電体多層膜を蒸着やＣＶＤ
法等により形成する。なお、反射筒１０の内径は通常で
は 50〜150 mm程度あり、一体で構成することができる
が、中心軸線方向で２分割して製作することも可能であ
る。The reflecting tube 10 is formed by appropriately selecting a material corresponding to the application to which the reflecting tube is applied and the laser wavelength to be used. For example, when used as an ion source or a charge conversion device described later, synthetic quartz, engineering glass such as BK7, Zerodur, and inorganic materials such as sapphire and ceramic are mirror-polished by a known polishing method.
And CVD of metal thin films such as Ag, Ti, etc. and dielectric multilayers
It is formed by a method or the like. The inner diameter of the reflecting tube 10 is usually about 50 to 150 mm, and can be integrally formed. However, the reflecting tube 10 can also be manufactured by dividing it into two in the center axis direction.
【００１９】この様に構成された反射筒１０の導入開口
１１に、レーザ光源２０から射出されたレーザ光ＬＢを
反射鏡２１，２２等から成る導入光学系を介して入射さ
せる。このとき、反射筒１０への入射角は２枚の反射鏡
２１，２２を調整することにより、図１に示す円筒中心
軸を含む面において、導入開口１１に対峙する円筒鏡面
に対して直角入射しないように、微小角θだけ傾けて入
射され、また、図１中にII-II矢視で示す断面図を図２
に示す様に、中心軸１５に直交する面内において、中心
軸１５の軸心を通らずに軸心の直近部分を通過して対峙
する面に到達するように（この面内で対峙する面に直角
入射しないように）微小角φだけ傾けて入射される。The laser beam LB emitted from the laser light source 20 is made incident on the introduction opening 11 of the reflection tube 10 having such a configuration through an introduction optical system including reflection mirrors 21 and 22 and the like. At this time, the angle of incidence on the reflecting tube 10 is adjusted by adjusting the two reflecting mirrors 21 and 22 so that the surface including the central axis of the cylinder shown in FIG. In order to prevent the incident light, the light is incident at an angle of a small angle θ, and a sectional view taken along the line II-II in FIG.
As shown in the figure, in a plane perpendicular to the central axis 15, it passes through the immediate vicinity of the central axis without passing through the central axis of the central axis 15 so as to reach the facing surface (the surface facing in this plane). At an angle of a small angle φ.
【００２０】この様な入射角で導入開口１１に入射され
たレーザ光ＬＢは、図１及び図２中にビーム軌跡の一部
を模式的に示すように、反射筒内で軸直角方向視におい
て常に軸心直近部を通過しながらわずかずつ反射位置を
変え、あたかもビームが回転するように反射を繰り返
し、また軸方向についてもわずかずつ開口１４に向けて
移動するという立体的な多重反射を行う。円筒部１０ａ
の両端に配設されたテーパ状の鏡面の角度と長さとは上
記の様に立体的に反射する多重反射光が、この反射筒か
ら外部に飛び出さないように多重反射光の振る舞いを光
線追跡することにより算出され設定されており、このテ
ーパ状の鏡面に到達したレーザ光はこの鏡面で反射され
ることにより反射筒の内部に向けて折り返される。The laser beam LB incident on the introduction opening 11 at such an incident angle is, as schematically shown in FIG. 1 and FIG. The reflection position is changed little by little while always passing immediately near the axis, the reflection is repeated as if the beam rotates, and three-dimensional multiple reflection is performed in which the beam moves slightly toward the opening 14 also in the axial direction. Cylindrical part 10a
The angles and lengths of the tapered mirrors provided at both ends of the mirror trace the behavior of the multiple reflection light so that the multiple reflection light, which is reflected three-dimensionally, does not jump out of this reflection tube as described above. The laser light that has reached the tapered mirror surface is reflected by the mirror surface and turned back toward the inside of the reflecting tube.
【００２１】従って、この様に構成された反射筒１０で
は常に軸心１５近傍を通り多重反射するレーザ光を立体
的に閉じ込めることができ、とくに軸心近傍部のパワー
密度(エネルギー)が極めて高いレーザビーム閉じ込め装
置を得ることができる。なお、上記実施例ではレーザ光
導入部（導入開口１１）を反射筒の円筒部１０ａに配設
した実施例について説明したが、レーザ光導入部はテー
パ部１０ｂに設けても良く、この場合には図中に示す入
射角θをゼロとすることも可能である。Therefore, in the reflecting tube 10 configured as described above, the laser beam which passes through the vicinity of the axis 15 and is reflected multiple times can be confined three-dimensionally, and the power density (energy) especially near the axis is extremely high. A laser beam confinement device can be obtained. In the above embodiment, the embodiment in which the laser light introducing portion (introducing opening 11) is provided in the cylindrical portion 10a of the reflecting cylinder has been described. However, the laser light introducing portion may be provided in the tapered portion 10b. Can make the incident angle θ shown in the figure zero.
【００２２】図３(a)(b)には本発明に係るレーザビーム
閉じ込め装置１の反射筒１０について他の実施例を上記
図１と同様に軸方向の断面図として示しており、ともに
円筒部１０ａを有しない実施形態である。このうち図
(a)に示す反射筒１１０は、断面視円弧状の反射鏡面か
ら成る樽型の反射筒であり、図(b)に示す反射筒１２０
は円錐状の反射筒を上下に重ねて接合した構成を有する
反射筒である。これ等の実施形態によれば、反射筒内で
多重反射するレーザビームを、中心軸１５を軸心として
図における上下方向の中央領域に安定して収束させるこ
とができ、中央領域に安定化したエネルギー分布を有す
るレーザビーム閉じ込め装置を得ることができる。ま
た、図(b)に示す反射筒１２０によれば大型の反射筒の
製作を容易化することができる。FIGS. 3 (a) and 3 (b) show another embodiment of the reflecting tube 10 of the laser beam confinement device 1 according to the present invention, as in FIG. This is an embodiment having no portion 10a. Figure of these
The reflecting tube 110 shown in FIG. 5A is a barrel-shaped reflecting tube having a reflecting mirror surface having an arc shape in cross section, and the reflecting tube 120 shown in FIG.
Is a reflecting cylinder having a configuration in which conical reflecting cylinders are vertically overlapped and joined. According to these embodiments, the laser beam that is multiple-reflected in the reflecting cylinder can be stably focused on the central axis in the vertical direction with the central axis 15 as the axis, and stabilized in the central area. A laser beam confinement device having an energy distribution can be obtained. Further, according to the reflecting tube 120 shown in FIG. 6B, it is possible to easily manufacture a large reflecting tube.
【００２３】図４は図１に示したと同様の円筒部を有す
る反射筒について他の構成実施例を示しており、この実
施例では図１に示した反射筒１０を円筒部１３１と上下
のテーパ部１３２とに分割して構成し、これ等を個別に
製作した上で両者を接合することにより一体の反射筒１
３０を構成したものである。この様な実施形態によれば
両者の反射鏡面を容易かつ効率的に形成することができ
るほか、テーパ面の形状を放物面のような複雑形状に形
成し、あるいは、開口１３(１４)の開口寸法(直径)を狭
小化すること、反射筒の支持に適した構造を付加するこ
と、などを容易に行うことができる。また、これ等に対
応して円筒部１３１とテーパ部１３２とを別材質で構成
することも可能となる。FIG. 4 shows another embodiment of a reflecting cylinder having a cylindrical portion similar to that shown in FIG. 1. In this embodiment, the reflecting cylinder 10 shown in FIG. And a reflector 132, which are manufactured separately and then joined together to form an integral reflecting tube 1.
30. According to such an embodiment, both reflecting mirror surfaces can be formed easily and efficiently, and the shape of the tapered surface is formed into a complicated shape such as a paraboloid, or the shape of the opening 13 (14) is reduced. It is possible to easily reduce the opening dimension (diameter), add a structure suitable for supporting the reflecting tube, and the like. In addition, the cylindrical portion 131 and the tapered portion 132 can be made of different materials correspondingly.
【００２４】なお、反射筒１０に形成されるレーザ光導
入部は、図１から図４に示した実施例では反射筒内にレ
ーザ光を導入するため導入開口１１を設けているが、反
射筒１０に連通する開口（貫通孔）を設けない構成と
し、反射筒内面の鏡面のうちレーザ光導入部のみ部分的
に全反射膜を形成せず、透過窓として構成することも可
能である。例えば、反射筒１０をレーザ光を透過する材
質（例えば可視レーザ光に対して上記光学ガラス、紫外
レーザ光に対して合成石英ガラスやサファイヤ等）によ
って構成し、レーザ光導入部のみ内外面にＡＲコート膜
を形成し、あるいは入射させる直線偏光成分のみを透過
するＰＲコートを施すことにより、貫通孔を設けること
なくレーザ光導入部を構成することが可能である。In the embodiment shown in FIGS. 1 to 4, the laser beam introducing section formed in the reflecting tube 10 has an introduction opening 11 for introducing laser light into the reflecting tube. An opening (through hole) communicating with 10 may not be provided, and a reflection window may be formed without forming a total reflection film only partially on the laser light introducing portion of the mirror surface on the inner surface of the reflecting cylinder. For example, the reflection tube 10 is made of a material that transmits laser light (for example, the above-mentioned optical glass for visible laser light, and synthetic quartz glass or sapphire for ultraviolet laser light), and only the laser light introduction part has AR on the inner and outer surfaces. By forming a coat film or applying a PR coat that transmits only the linearly polarized light component to be incident, it is possible to configure the laser light introducing section without providing a through-hole.
【００２５】次に、本発明に係るタンデム型加速器の荷
電変換装置の好ましい実施形態について図５を用いて説
明する。この荷電変換装置２は、以上説明したレーザ光
閉じ込め装置１をタンデム型加速器における荷電変換装
置として用いるものである。図５にはタンデム型加速器
１００の基本構成を示しており、まずこの加速器の概要
から説明する。Next, a preferred embodiment of the charge conversion device for a tandem accelerator according to the present invention will be described with reference to FIG. This charge conversion device 2 uses the laser light confinement device 1 described above as a charge conversion device in a tandem accelerator. FIG. 5 shows a basic configuration of the tandem accelerator 100. First, an outline of the accelerator will be described.
【００２６】タンデム型加速器１００は、原子または分
子を負イオン化してタンデム型加速器に入射させる負イ
オン源３０、１０-8 Torr程度の高真空に減圧され、負
イオン源３０から入射されたイオンを加速させる加速管
４０（負イオン加速管４１、正イオン加速管４２）、加
速管４０の中間部に配設された中央電極（高圧電極）５
０、中央電極５０に１〜１０メガボルト程度の高電圧の
電位を供給するペレットチェーン式バンデグラーフ高圧
発生器６０、加速管４０や中央電極５０等加速装置全体
を覆い、中央電極５０とアース電位（加速管４０の入射
端４１ａ及び出射端４２ａ）間での気中放電を防止する
ために数気圧のＳＦ6等絶縁性ガスで封止された高圧絶
縁タンク７０などから構成され、中央電極部には負イオ
ン加速管４１内で加速された負イオンを正イオンに変換
する荷電変換装置２が配設されている。The tandem accelerator 100 is a negative ion source 30 for negatively ionizing atoms or molecules and injecting the ions into the tandem accelerator. The negative pressure is reduced to a high vacuum of about 10 −8 Torr. An accelerating tube 40 for accelerating (a negative ion accelerating tube 41, a positive ion accelerating tube 42), and a central electrode (high-voltage electrode) 5 provided at an intermediate portion of the accelerating tube 40
0, covers the entire accelerating device such as a pellet chain type Van de Graaff high-pressure generator 60 for supplying a high voltage potential of about 1 to 10 megavolts to the central electrode 50, the accelerating tube 40 and the central electrode 50, and connects the central electrode 50 to the ground potential ( In order to prevent aerial discharge between the entrance end 41a and the exit end 42a) of the accelerating tube 40, the accelerating tube 40 is composed of a high-pressure insulating tank 70 sealed with an insulating gas such as SF 6 at several atmospheric pressures. Is provided with a charge conversion device 2 for converting negative ions accelerated in the negative ion acceleration tube 41 into positive ions.
【００２７】負イオン加速管４１及び正イオン加速管４
２は、それぞれの両端電圧が高電圧とアース電位となる
ため、非磁性の電気絶縁材料であるセラミック等を用い
て構成されるとともに、中央電極に印可される高圧電位
による分極を防止して電位変化を平滑化するために、複
数の内部電極５５がメタルボンド等の手法によりセラミ
ック間に気密に接合された積層構造で構成されている。Negative ion accelerator 41 and positive ion accelerator 4
2 has a high voltage and a ground potential, both ends of which are made of ceramic or the like, which is a non-magnetic electrically insulating material. In order to smooth the change, a plurality of internal electrodes 55 are formed in a laminated structure in which ceramics are hermetically bonded between ceramics by a technique such as metal bonding.
【００２８】本発明に係る荷電変換装置２は、上記のよ
うに構成されるタンデム型加速器１００において、加速
管４０の外部に配設されたレーザ光源２０と、中央電極
部において加速管４０の中心軸４５と同一軸方向に延び
て配設された前述のレーザ光閉じ込め装置１と、レーザ
光源２０から射出されたレーザ光ＬＢをレーザ光閉じ込
め装置１の導入開口１１に前述した入射角で入射させる
導入光学系２１，２２，２３とで構成されている。The charge conversion device 2 according to the present invention includes a laser light source 20 disposed outside the acceleration tube 40 and a center electrode of the acceleration tube 40 at the center electrode portion in the tandem accelerator 100 configured as described above. The aforementioned laser light confinement device 1 extending in the same axis direction as the axis 45 and the laser light LB emitted from the laser light source 20 are made incident on the introduction opening 11 of the laser light confinement device 1 at the above-mentioned incident angle. It is composed of introduction optical systems 21, 22, 23.
【００２９】レーザ光源２０は、加速しようとする負イ
オンを励起して電子放出させるに適合した波長及びエネ
ルギーを有するレーザ発振器からなるが、単一のレーザ
光源でイオン化エネルギーが不足し単一波長励起が困難
な場合には、複数波長のレーザ光をダイクロックミラー
等により重畳させてレーザ光閉じ込め装置１に入射さ
せ、あるいは、複数波長のレーザ光を複数の導入光学系
を用いて複数の導入開口からレーザ光閉じ込め装置１に
入射させることにより多段励起させることも可能であ
る。The laser light source 20 is composed of a laser oscillator having a wavelength and an energy suitable for exciting negative ions to be accelerated and emitting electrons. Is difficult, the laser light of a plurality of wavelengths is superimposed by a dichroic mirror or the like and is incident on the laser light confinement device 1, or the laser light of a plurality of wavelengths is introduced into a plurality of introduction apertures using a plurality of introduction optical systems. It is also possible to perform multi-stage excitation by causing the laser beam to enter the laser beam confinement device 1 from the above.
【００３０】導入光学系における窓部材２３は、高真空
の加速管４１と大気圧との間を真空シールしてレーザ光
を導入するウィンドウであり、選択されたレーザ波長に
対応した透過光学部材（例えば、赤外レーザ光に対して
ＺnＳeやＧaＡs、可視レーザ光に対してＢＫ７等の光学
ガラス、紫外レーザ光に対して石英やＣaＦ2など）が用
いられる。The window member 23 in the introduction optical system is a window for introducing a laser beam by vacuum-sealing the space between the high vacuum accelerating tube 41 and the atmospheric pressure, and is a transmission optical member (corresponding to the selected laser wavelength). For example, ZnSe or GaAs is used for infrared laser light, optical glass such as BK7 is used for visible laser light, and quartz or CaF 2 is used for ultraviolet laser light.
【００３１】レーザ光源２０から射出され、窓部材２３
を透過して加速管内に入射されたレーザ光ＬＢは、負イ
オン加速管４１内をイオンビームの中心軸４５と平行に
中央電極５０に向けて進む。ここで、負イオン加速管４
１に配設された内部電極５５の外縁部にはレーザ光ＬＢ
を通すため小口径の孔が形成されており、レーザ光ＬＢ
はこの孔を通過して中央電極部に導かれる。そして、反
射鏡２２により反射され、前述した入射角(図１及び図
２を用いて説明した入射角θ及びφ)でレーザ光閉じ込
め装置１内に入射され、この装置内に閉じ込められる。The window member 23 emitted from the laser light source 20
The laser beam LB incident on the acceleration tube after passing through the laser beam travels in the negative ion acceleration tube 41 toward the central electrode 50 in parallel with the central axis 45 of the ion beam. Here, the negative ion accelerator tube 4
The laser beam LB is provided on the outer edge of the internal electrode 55
A small-diameter hole is formed to allow the laser light LB
Is led to the central electrode part through this hole. Then, the light is reflected by the reflecting mirror 22, enters the laser light confinement device 1 at the above-mentioned incident angle (the incident angles θ and φ described with reference to FIGS. 1 and 2), and is confined in this device.
【００３２】ここで、本発明に係るレーザ光閉じ込め装
置１に蓄えられるエネルギーは、反射筒の光学的な中心
軸１５近傍領域のパワー密度が極めて高いエネルギー分
布を持つ。しかし一方で、レーザビームＬＢの拡がり角
や鏡面反射における拡散効果が小さい場合には、レーザ
光閉じ込め装置の中心軸１５上のパワー密度が極めて低
く、軸心近傍に偏りながら芯の抜けたドーナッツ状の分
布となる。このため、本発明に係る荷電変換装置２では
上記効果を加味し、加速管の中心軸４５と同一軸方向に
延びてレーザ光閉じ込め装置を配設するとともに、加速
管の中心軸４５に対して反射筒の中心軸１５をわずかに
オフセットして配設している。なお、このオフセット量
は基本的に反射筒へのレーザ光の入射角φとの関係によ
って定められるが、本実施例の荷電変換装置２では励起
条件最適化のため、反射筒へのレーザ光入射角φ及びθ
とともにレーザ光閉じ込め装置の軸心オフセット量及び
傾斜角を加速器外部から調整可能に構成している。Here, the energy stored in the laser beam confinement device 1 according to the present invention has an energy distribution in which the power density in the region near the optical center axis 15 of the reflecting tube is extremely high. However, on the other hand, when the diffusion angle of the laser beam LB in the divergence angle and the specular reflection is small, the power density on the central axis 15 of the laser beam confinement device is extremely low, and the donut shape is deviated to the vicinity of the axis while being uncentered. Distribution. Therefore, in the charge conversion device 2 according to the present invention, in consideration of the above-described effects, the laser beam confinement device extending in the same axis direction as the central axis 45 of the acceleration tube is provided, and The central axis 15 of the reflection tube is slightly offset. Note that this offset amount is basically determined by the relationship with the incident angle φ of the laser beam to the reflecting tube. However, in the charge conversion device 2 of the present embodiment, the laser beam incident on the reflecting tube is optimized to optimize the excitation conditions. Angle φ and θ
In addition, the axial offset amount and the tilt angle of the laser beam confinement device can be adjusted from outside the accelerator.
【００３３】以上のようにして構成されたタンデム型加
速器１００においては、負イオン源３０から導入管３５
を介して負イオン加速管４１に入射された負イオンは、
正の高電圧が印可された中央電極５０に向けて引力によ
って加速される。中央電極部にはレーザ光源２０からレ
ーザ光ＬＢが供給されて内部にレーザ光が閉じ込められ
た荷電変換装置２が配設されており、この装置内部を通
過する負イオンは反射筒内に蓄積されたレーザ光との相
互作用により励起されて電子放出し、多価の正イオンに
荷電変換されて中央電極部を通過する。そして今度は、
中央電極５０の正の高電圧によって斥力を受けて正イオ
ン加速管内で再び加速され、出力管３６から正電荷のイ
オンビームとして出力される。出力管３６には偏向磁石
７５が配設されており、イオンビームはここで９０度折
り曲げられて加速器質量分析等の精密分析や微細ビーム
照射研究等に供される。In the tandem accelerator 100 configured as described above, the negative ion source 30 and the introduction pipe 35
The negative ions incident on the negative ion accelerating tube 41 through
The positive high voltage is accelerated by the attraction toward the applied central electrode 50. The charge conversion device 2 in which the laser light LB is supplied from the laser light source 20 and the laser light is confined inside is provided in the center electrode portion, and the negative ions passing through the inside of the device are accumulated in the reflection tube. It is excited by the interaction with the laser light and emits electrons, is charged converted to polyvalent positive ions, and passes through the central electrode portion. And this time,
Receiving a repulsive force due to the high positive voltage of the center electrode 50, it is accelerated again in the positive ion accelerating tube, and is output from the output tube 36 as a positively charged ion beam. The output tube 36 is provided with a deflecting magnet 75, and the ion beam is bent at 90 degrees here to be used for precision analysis such as accelerator mass spectrometry and fine beam irradiation research.
【００３４】この様に、本発明の荷電変換装置によれ
ば、荷電変換にレーザ光閉じ込め装置を用い、荷電変換
装置に打ち込まれるイオンの荷電変換を光エネルギーに
よって行う。従って、レーザ波長やレーザ光のパワー密
度（出力強度や反射筒の位置）等を変化させることによ
って、荷電変換状態を加速器外部から制御可能に構成す
ることができるとともに、荷電変換装置からのガスリー
クに起因する問題を解決した荷電変換装置を提供するこ
とができる。また、この様な用途に用いるレーザ光閉じ
込め装置２の反射筒は、10〜50 cm程度の長さとするこ
とができるため、ガス荷電変換装置と比較して荷電変換
装置を大幅に小型化することができる。As described above, according to the charge conversion device of the present invention, the charge conversion of the ions implanted into the charge conversion device is performed by light energy using the laser light confinement device. Therefore, the charge conversion state can be controlled from outside the accelerator by changing the laser wavelength, the power density of the laser light (output intensity, the position of the reflecting tube), and the like, and gas leakage from the charge conversion device can be prevented. It is possible to provide a charge conversion device that solves the problem caused by the charge conversion device. In addition, since the reflecting cylinder of the laser light confinement device 2 used for such an application can be set to a length of about 10 to 50 cm, the charge conversion device can be significantly reduced in size as compared with a gas charge conversion device. Can be.
【００３５】次に、本発明に係るイオン化装置の好まし
い実施形態について図６を用いて説明する。図６に示す
イオン化装置３は、これまで説明したレーザ光閉じ込め
装置１を、気体を正イオン化する気体イオン化装置とし
て用いた場合の主要構成を示す上面図である。この気体
イオン化装置３は、レーザ光を射出するレーザ光源２０
とレーザ光閉じ込め装置１と、レーザ光源２０から射出
されたレーザ光をレーザ光閉じ込め装置１の導入開口１
１に前述の所定の入射角φ，θで入射させる導入光学系
２１，２３と、レーザ光閉じ込め装置１の反射筒内にガ
スを供給するガス供給回路７６と、開口１３の近傍に配
設されて反射筒内のイオン化された荷電粒子を引き出す
ための引き出し電極８１、及びこの開口１３の反対側に
配設されて反射筒からイオン化された荷電粒子を押し出
すための押し出し電極８２などからなり、レーザ光源２
０及び導入光学系を除いて減圧されたチャンバー８５内
に配設され構成されている。Next, a preferred embodiment of the ionization apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. The ionization device 3 shown in FIG. 6 is a top view showing a main configuration when the laser light confinement device 1 described above is used as a gas ionization device for positively ionizing a gas. The gas ionizer 3 includes a laser light source 20 for emitting laser light.
And the laser light confinement device 1, and the laser light emitted from the laser light source 20 and the introduction opening 1 of the laser light confinement device 1.
1, the introduction optical systems 21 and 23 for making the incident light at the above-mentioned predetermined incident angles φ and θ, the gas supply circuit 76 for supplying gas into the reflecting cylinder of the laser light confinement device 1, and the opening 13. A drawing electrode 81 for drawing out ionized charged particles in the reflecting tube, and an extruding electrode 82 arranged on the opposite side of the opening 13 for pushing out the ionized charged particles from the reflecting tube. Light source 2
Except for the optical system 0 and the introduction optical system, it is disposed and configured in a depressurized chamber 85.
【００３６】この様に構成された気体イオン化装置３で
は、ガス供給回路７４によりレーザ光閉じ込め装置１の
反射筒内に供給された気体元素は、レーザ光源２０から
射出されて反射筒の中心軸近傍に高いパワー密度を有す
るレーザ光により光イオン化され電子を放出することに
よって正イオン化する。正イオン化した気体元素は、正
の高電圧を有する押し出し電極８２からの斥力、及び負
の高電圧を有する引き出し電極８１からの引力を受けて
レーザ光閉じ込め装置１の開口１３から引き出されイオ
ンビーム出力開口８５ａから出力される。なお、この様
な構成のイオン化装置では、図示するようにレーザ光閉
じ込め装置の開口は、引き出し側の開口１３のみで構成
することもできる。In the gas ionizer 3 configured as described above, the gas element supplied into the reflector tube of the laser beam confinement device 1 by the gas supply circuit 74 is emitted from the laser light source 20 and is near the central axis of the reflector tube. Is positively ionized by emitting electrons after being photoionized by a laser beam having a high power density. The positively ionized gas element is extracted from the opening 13 of the laser light confinement device 1 by receiving a repulsive force from the pushing electrode 82 having a positive high voltage and an attractive force from the extracting electrode 81 having a negative high voltage, and is output as an ion beam. Output from the opening 85a. In the ionization device having such a configuration, the opening of the laser light confinement device may be constituted by only the opening 13 on the extraction side as shown in the figure.
【００３７】図７には、本発明に係るイオン化装置の他
の好ましい実施形態を示しており、こイオン化装置４
は、図６に示した気体イオン化装置３のガス供給回路７
４に代えて、固体試料９０をレーザ光によってガス化し
てレーザ光閉じ込め装置１内に供給するための第２のレ
ーザ光源２５と照射光学系２６，２７，２８とを備える
ことを要旨として構成された固体イオン化装置である。FIG. 7 shows another preferred embodiment of the ionization apparatus according to the present invention.
Is a gas supply circuit 7 of the gas ionizer 3 shown in FIG.
In place of the fourth embodiment, a second laser light source 25 and gas irradiation optical systems 26, 27, and 28 for gasifying the solid sample 90 with laser light and supplying the solid sample 90 to the laser light confinement device 1 are provided. Solid ionizer.
【００３８】すなわち、このイオン化装置４はレーザ光
源２０、導入光学系２１，２３、レーザ光閉じ込め装置
１、レーザ光閉じ込め装置１の開口１４近傍に配設され
て固体試料９０にレーザ光を照射させるための第２のレ
ーザ光源２５、及び反射集光ミラー２８を含む照射光学
系２６，２７，２８、開口１３の近傍に配設されて反射
筒内のイオン化された荷電粒子を引き出すための引き出
し電極と集束レンズ群８３などからなり、レーザ光源２
０，２５及び導入光学系、照射光学系（２６，２７）を
除いて減圧されたチャンバー８６内に配設され構成され
ている。That is, the ionization device 4 is provided near the laser light source 20, the introduction optical systems 21 and 23, the laser light confinement device 1, and the opening 14 of the laser light confinement device 1, and irradiates the solid sample 90 with laser light. Laser light source 25, irradiation optical systems 26, 27 and 28 including a reflection condensing mirror 28, and an extraction electrode arranged near the opening 13 for extracting ionized charged particles in the reflection tube. And a focusing lens group 83, etc.
Except for the optical systems 0, 25, the introduction optical system, and the irradiation optical system (26, 27), they are disposed and configured in a depressurized chamber 86.
【００３９】この様に構成された固体イオン化装置４に
よれば、チャンバー８６内にセットされた固体試料９０
に対して第２のレーザ光源から射出されたレーザ光が照
射光学系を介して照射され、ガス化した固体元素が開口
１４からレーザ光閉じ込め装置１の反射筒内に供給され
る。ガス化して供給された固体元素は、レーザ光源２０
から入射されて反射筒の中心軸近傍に高いパワー密度を
有するレーザ光により励起され電子放出して正イオン化
する。そして正イオン化した固体元素は、負の高電圧を
有する引き出し電極８３からの引力を受けてレーザ光閉
じ込め装置１の開口１３から引き出されイオンビーム出
力開口８６ａから出力される。なお図では押し出し電極
を配設していないが、引き出し側と同様のリング状の押
し出し電極を配設することも可能である。According to the solid ionization apparatus 4 configured as described above, the solid sample 90 set in the chamber 86
The laser light emitted from the second laser light source is irradiated through the irradiation optical system, and the gasified solid element is supplied from the opening 14 into the reflection tube of the laser light confinement device 1. The solid element supplied as gas is supplied to the laser light source 20.
And is excited by a laser beam having a high power density in the vicinity of the central axis of the reflecting cylinder to emit electrons and become positive ions. The positively ionized solid element receives an attractive force from the extraction electrode 83 having a negative high voltage, is extracted from the opening 13 of the laser light confinement device 1, and is output from the ion beam output opening 86a. Although no push-out electrode is provided in the drawing, a ring-like push-out electrode similar to that on the lead-out side may be provided.
【００４０】以上のように構成された気体イオン化装置
３及び固体イオン化装置４によれば、気体や固体を効率
よくイオン化することができ、イオン化された元素の存
在量や同位対比などを測定する通常の(加速器を用いな
い)質量分析計のイオン源として有用に活用することが
できる。According to the gas ionizer 3 and the solid ionizer 4 configured as described above, it is possible to efficiently ionize a gas or a solid, and to measure the abundance and isotope ratio of the ionized element. It can be usefully used as an ion source for a mass spectrometer (without using an accelerator).
【００４１】なお、以上の説明においては、レーザ光閉
じ込め装置１を荷電変換装置やイオン化装置(イオン源)
として用いる場合について、反射筒の材質として非磁性
の無機材料を母材として用いて構成する例を説明した
が、例えば、反射筒内にガスを供給し圧力差によって開
口から取り出すような場合には、アルミ合金や銅合金、
ステンレス等の金属材料を母材として用いることも可能
である。また、必要に応じて反射筒に冷却手段を設ける
こと（例えば反射筒外周に冷却ジャケットを配設するこ
と）も適宜行うことが可能である。In the above description, the laser light confinement device 1 is a charge conversion device or an ionization device (ion source).
In the case of using as a reflection cylinder, an example in which a nonmagnetic inorganic material is used as a base material as a material of the reflection cylinder has been described.For example, in a case where a gas is supplied into the reflection cylinder and taken out of the opening by a pressure difference, , Aluminum alloy and copper alloy,
It is also possible to use a metal material such as stainless steel as the base material. It is also possible to appropriately provide a cooling means in the reflection tube as needed (for example, to provide a cooling jacket on the outer periphery of the reflection tube).
【００４２】[0042]
【発明の効果】以上説明したように、本発明では、上下
に延びる中心軸の上部と下部とに開口を有し、中心軸を
軸心として上下の開口に向けて縮径された略円筒形の内
面形状を有するとともに内面がレーザ光を反射する反射
鏡面に形成された反射筒に、この反射筒に形成されたレ
ーザ光導入部から所定の入射角でレーザ光を入射させて
反射筒内の反射面で多重反射させることにより、入射さ
れたレーザ光を反射筒内に閉じ込めるようにレーザ光閉
じ込め装置を構成する。そして、上記のように形成され
たレーザ光閉じ込め装置のレーザ光導入部に反射筒中心
軸の軸心を除く軸心近傍を通過して反対側の反射面に到
達する入射角でレーザ光を入射させ、反射筒内で多重反
射させることにより入射されたレーザ光を反射筒内に閉
じ込める。As described above, according to the present invention, a substantially cylindrical shape having openings at upper and lower portions of a vertically extending central axis and having a diameter reduced toward the upper and lower openings with the central axis as an axis. A laser beam is incident at a predetermined incident angle from a laser light introducing portion formed on the reflecting tube having a shape of an inner surface and an inner surface formed on a reflecting mirror surface for reflecting the laser light. A laser light confinement device is configured to confine incident laser light in a reflection tube by multiple reflection on the reflection surface. Then, the laser beam is incident on the laser beam introducing portion of the laser beam confinement device formed as described above at an incident angle that passes through the vicinity of the axis except for the axis of the central axis of the reflecting cylinder and reaches the opposite reflecting surface. Then, the reflected laser light is confined in the reflection tube by multiple reflection in the reflection tube.
【００４３】この様なレーザ光閉じ込め方法及び装置に
よれば、反射筒に軸心をわずかに外してレーザ光を入射
させることにより、軸心と直交する面内において常に軸
心近傍を通り、あたかも回転するようにレーザ光を多重
反射させることができる。また、入射光を中心軸の軸線
方向にわずかに傾けて入射させる等により、円筒の軸方
向にわずかずつ移動する立体的な多重反射とすることが
できる。上下の縮径されたテーパ部は立体的に反射する
多重反射光が反射筒から外部に飛びだすことを防止して
反射筒の内方に折り返す役割を果たす。従って、この様
に構成された反射筒では常に軸心近傍を通り多重反射す
るレーザ光を立体的に閉じ込めることができ、特に軸心
近傍部のパワー密度を高めた閉じ込め装置を得ることが
できる。According to such a method and apparatus for confining laser light, the laser beam is incident on the reflecting cylinder slightly off the axis, so that the laser beam always passes through the vicinity of the axis in a plane perpendicular to the axis, as if it were. The laser light can be multiply reflected so as to rotate. In addition, by making the incident light slightly inclined in the axial direction of the central axis and making it incident, three-dimensional multiple reflection that moves slightly in the axial direction of the cylinder can be obtained. The upper and lower tapered portions serve to prevent multiple reflection light, which is reflected three-dimensionally, from jumping out of the reflection tube and turn it back inside the reflection tube. Therefore, the reflecting tube configured as described above can always three-dimensionally confine the laser light that passes through the vicinity of the axis and is multiply reflected, and can obtain a confinement device in which the power density in the vicinity of the axis is particularly increased.
【００４４】また、本発明に係る荷電変換装置は、タン
デム型加速器に注入された荷電粒子の荷電変換を行う荷
電変換装置であって、タンデム型加速器の加速管外部に
配設されてレーザ光を射出するレーザ光源と、中央電極
部において加速管の中心軸と同一軸方向に延びて配設さ
れた上記レーザ光閉じ込め装置と、レーザ光源から射出
されたレーザ光をレーザ光閉じ込め装置のレーザ光導入
部に所定の入射角で入射させる導入光学系とから構成さ
れる。そして、レーザ光源から射出されたレーザ光を導
入光学系により所定の入射角でレーザ光導入部に入射さ
せてレーザ光閉じ込め装置の反射筒内に閉じ込め、この
反射筒内に閉じ込められたレーザ光によって中心軸近傍
領域を通って反射筒内を通過する荷電粒子の荷電変換を
行う。従って、レーザ波長やレーザ光のパワー密度等を
変化させることによって荷電変換状態を加速器外部から
制御可能に構成することができるとともに、荷電変換装
置からのガスリークに起因する問題を解決した荷電変換
装置を提供することができる。Further, the charge conversion device according to the present invention is a charge conversion device for performing charge conversion of charged particles injected into a tandem accelerator, and is disposed outside an acceleration tube of the tandem accelerator to emit laser light. A laser light source to be emitted, the above-described laser light confinement device provided in the central electrode portion so as to extend in the same axis direction as the central axis of the acceleration tube, and a laser light confinement device for introducing the laser light emitted from the laser light source. And an introduction optical system for causing the light to enter the portion at a predetermined incident angle. Then, the laser light emitted from the laser light source is made incident on the laser light introducing portion at a predetermined incident angle by the introduction optical system, and is confined in the reflection tube of the laser light confinement device. The charge conversion of charged particles passing through the reflecting cylinder through the region near the central axis is performed. Therefore, by changing the laser wavelength, the power density of the laser light, and the like, the charge conversion state can be configured to be controllable from outside the accelerator, and a charge conversion device that solves the problem caused by gas leakage from the charge conversion device. Can be provided.
【００４５】本発明に係るイオン化装置は、レーザ光を
射出するレーザ光源と上記レーザ光閉じ込め装置と、レ
ーザ光源から射出されたレーザ光をレーザ光閉じ込め装
置のレーザ光導入部に所定の入射角で入射させる導入光
学系と、レーザ光閉じ込め装置の反射筒内にガスを供給
するガス供給手段と、反射筒の開口の近傍に配設されて
反射筒内の荷電粒子を反射筒から引き出し、または押し
出すための引き出し電極および押し出し電極の少なくと
も一方の電極とを有し、レーザ光源から射出されたレー
ザ光を導入光学系により所定の入射角でレーザ光導入部
に入射させてレーザ光閉じ込め装置の反射筒内に閉じ込
め、閉じ込められたレーザ光によって反射筒内に供給さ
れるガスのイオン化を行うとともに、上記電極によりイ
オン化された荷電粒子の取り出しを行う。また、本発明
に係る他のイオン化装置では、上記ガス供給手段は反射
筒の一の開口部近傍に配設された試料にレーザ光を照射
させて試料を蒸発させガス化させるための第２のレーザ
光源と照射光学系とを有し、ガス化させた試料ガスを反
射筒内部に導入するよう構成する。According to the ionization apparatus of the present invention, there is provided a laser light source for emitting laser light, the laser light confinement device, and a laser light emitted from the laser light source at a predetermined incident angle to a laser light introduction section of the laser light confinement device. Introducing optical system to be incident, gas supply means for supplying gas into the reflecting cylinder of the laser beam confinement device, and charged particles in the reflecting cylinder disposed near the opening of the reflecting cylinder to be drawn out or pushed out of the reflecting cylinder And a reflection tube of a laser light confinement device, in which a laser light emitted from a laser light source is made incident on a laser light introduction portion at a predetermined incident angle by an introduction optical system. The ionization of the gas supplied into the reflecting cylinder by the confined laser light and the confined laser light Taken out of the child. Further, in another ionization apparatus according to the present invention, the gas supply unit is configured to irradiate a sample disposed near one opening of the reflecting tube with a laser beam to evaporate the sample and gasify the sample. It has a laser light source and an irradiation optical system, and is configured to introduce a gasified sample gas into the inside of the reflection tube.
【００４６】この様な構成によれば、レーザ光閉じ込め
装置を用いて反射筒内に供給されるガスを光イオン化法
により効率的にイオン化させ、取り出し電極や押し出し
電極によってイオン化した荷電粒子を容易に取り出すこ
とができる。従って、気体や固体を効率的にイオン化し
て取り出すことができるため、イオン化された元素の存
在量や同位対比などを測定する通常の質量分析計のイオ
ン源として有用に活用することができる。According to such a configuration, the gas supplied into the reflecting cylinder is efficiently ionized by the photoionization method using the laser light confinement device, and the charged particles ionized by the extraction electrode or the extrusion electrode can be easily converted. Can be taken out. Therefore, a gas or solid can be efficiently ionized and taken out, so that it can be effectively used as an ion source of a general mass spectrometer for measuring the abundance, isotope contrast, and the like of an ionized element.
【図１】本発明に係るレーザ光閉じ込め装置の好ましい
実施形態を示す軸方向断面図である。FIG. 1 is an axial sectional view showing a preferred embodiment of a laser light confinement device according to the present invention.
【図２】上記レーザ光閉じ込め装置の軸直角方向断面図
である。FIG. 2 is a sectional view in a direction perpendicular to an axis of the laser light confinement device.
【図３】本発明に係るレーザ光閉じ込め装置の他の好ま
しい実施形態を示す軸方向断面図である。FIG. 3 is an axial sectional view showing another preferred embodiment of the laser light confinement device according to the present invention.
【図４】本発明に係るレーザ光閉じ込め装置の他の好ま
しい実施形態を示す部分断面図（軸方向断面図）であ
る。FIG. 4 is a partial cross-sectional view (axial cross-sectional view) showing another preferred embodiment of the laser light confinement device according to the present invention.
【図５】本発明に係る荷電変換装置を用いたタンデム型
加速器の構成を説明するための断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a tandem accelerator using the charge conversion device according to the present invention.
【図６】本発明に係るイオン化装置の構成を示す断面図
である。FIG. 6 is a sectional view showing a configuration of an ionization apparatus according to the present invention.
【図７】本発明に係る他のイオン化装置の構成を示す断
面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a configuration of another ionization device according to the present invention.
１ レーザ光閉じ込め装置 ２ 荷電変換装置 ３ イオン化装置 ４ イオン化装置 １０ 反射筒 １１ 導入開口（レーザ光導入部） １３ 開口 １４ 開口 １５ 中心軸 ２０ レーザ光源 ２５ 第２のレーザ光源 ２１，２２，２３ 導入光学系 ２６，２７，２８ 照射光学系 ４０ 加速管（４１ 負イオン加速管、４２ 正イオン
加速管） ４５ 加速管の中心軸 ５０ 中央電極 ７６ ガス供給回路（ガス供給手段） ８１ 引き出し電極 ８２ 押し出し電極 ８３ 引き出し電極及びレンズ ９０ 試料 １００ タンデム型加速器 １１０，１２０，１３０反射筒 φ(θ) 所定の入射角REFERENCE SIGNS LIST 1 laser light confinement device 2 charge conversion device 3 ionization device 4 ionization device 10 reflection tube 11 introduction opening (laser light introduction part) 13 opening 14 opening 15 central axis 20 laser light source 25 second laser light source 21, 22, 23 introduction optics System 26, 27, 28 Irradiation optical system 40 Accelerator tube (41 negative ion accelerator tube, 42 positive ion accelerator tube) 45 Center axis of accelerator tube 50 Central electrode 76 Gas supply circuit (gas supply means) 81 Extraction electrode 82 Pushing electrode 83 Extraction electrode and lens 90 Sample 100 Tandem accelerator 110, 120, 130 Reflector cylinder φ (θ) Predetermined incident angle
Claims (5)
口を有し、前記中心軸を軸心として前記上下の開口に向
けて縮径された略円筒形の内面形状を有するとともに、
前記内面がレーザ光を反射する反射鏡面に形成された反
射筒に、 前記反射筒に配設されて前記反射筒側面から前記反射鏡
面内に前記レーザ光を導入可能に形成されたレーザ光導
入部から、 前記中心軸の軸心を除く軸心近傍を通過して反対側の反
射面に到達する入射角で前記レーザ光を入射させ、 前記反射筒内で多重反射させることにより前記入射され
たレーザ光を前記反射筒内に閉じ込めることを特徴とす
るレーザ光の閉じ込め方法。An opening is formed at an upper portion and a lower portion of a vertically extending central axis, and has a substantially cylindrical inner surface whose diameter is reduced toward the upper and lower openings around the central axis as an axis.
A reflecting tube whose inner surface is formed on a reflecting mirror surface that reflects laser light, a laser light introducing unit disposed on the reflecting tube and formed so as to be able to introduce the laser light from the side surface of the reflecting tube into the reflecting mirror surface; From, the laser beam is incident at an incident angle that passes through the vicinity of the axis except for the center of the central axis and reaches the opposite reflection surface, and the incident laser is obtained by multiple reflection in the reflection tube. A method for confining laser light, wherein light is confined in the reflection tube.
口を有し、前記中心軸を軸心として前記上下の開口に向
けて縮径された略円筒形の内面形状を有するとともに、
前記内面がレーザ光を反射する反射鏡面に形成された反
射筒と、 前記反射筒に配設されて前記反射筒側面から前記反射鏡
面内に前記レーザ光を導入可能に形成されたレーザ光導
入部とからなり、 レーザ光源から射出された前記レーザ光を前記レーザ光
導入部から所定の入射角で入射させて前記反射面で多重
反射させることにより、前記入射されたレーザ光を前記
反射筒内に閉じ込めることを特徴とするレーザ光閉じ込
め装置。2. A substantially cylindrical inner surface having openings at upper and lower portions of a vertically extending central axis, and having a diameter reduced toward the upper and lower openings around the central axis as an axis.
A reflecting tube having an inner surface formed on a reflecting mirror surface for reflecting laser light; and a laser light introducing unit disposed on the reflecting tube and formed so as to be able to introduce the laser light from the side surface of the reflecting tube into the reflecting mirror surface. The laser light emitted from the laser light source is made incident from the laser light introduction unit at a predetermined incident angle and is multiple-reflected on the reflecting surface, so that the incident laser light enters the reflecting cylinder. A laser light confinement device characterized by confining.
の加速管中央部に配設された中央電極部において、前記
タンデム型加速器に注入された荷電粒子の荷電変換を行
う荷電変換装置であって、 前記タンデム型加速器の加速管外部に配設されてレーザ
光を射出するレーザ光源と、 前記中央電極部において前記加速管の中心軸と同一軸方
向に延びて配設された請求項２に記載のレーザ光閉じ込
め装置と、 前記射出されたレーザ光を前記レーザ光閉じ込め装置の
レーザ光導入部に所定の入射角で入射させる導入光学系
とからなり、 前記レーザ光源から射出されたレーザ光を前記導入光学
系により前記所定の入射角で前記レーザ光導入部に入射
させ、前記入射されたレーザ光を前記レーザ光閉じ込め
装置の反射筒内に閉じ込め、 前記閉じ込められた前記レーザ光によって前記反射筒の
中心軸近傍を通って前記反射筒内を通過する荷電粒子の
荷電変換を行うことを特徴とするタンデム型加速器の荷
電変換装置。3. A charge conversion device for performing charge conversion of charged particles injected into the tandem accelerator at a central electrode portion provided at a central portion of an acceleration tube of the tandem accelerator for accelerating charged particles. The laser light source disposed outside the acceleration tube of the tandem accelerator and emitting laser light, and the central electrode portion is disposed so as to extend in the same axis direction as the central axis of the acceleration tube. A laser light confinement device, and an introduction optical system for causing the emitted laser light to enter a laser light introduction portion of the laser light confinement device at a predetermined incident angle, wherein the laser light emitted from the laser light source is The laser beam is introduced into the laser beam introducing section at the predetermined incident angle by the introducing optical system, and the incident laser beam is confined in a reflecting cylinder of the laser beam confining device. Tandem accelerator charge exchanging apparatus which is characterized in that the charge exchange of charged particles passing through the said reflective tube through the center axis near the reflection tube by the laser beam.
レーザ光導入部に所定の入射角で入射させる導入光学系
と、 前記レーザ光閉じ込め装置の反射筒内にガスを供給する
ガス供給手段と、 前記反射筒の開口の近傍に配設されて前記反射筒内の荷
電粒子を前記反射筒から引き出しまたは押し出すための
引き出し電極および押し出し電極の少なくとも一方の電
極とを有し、 前記レーザ光源から射出されたレーザ光を前記導入光学
系により前記所定の入射角で前記レーザ光導入部に入射
させ、前記入射されたレーザ光を前記レーザ光閉じ込め
装置の反射筒内に閉じ込め、 前記閉じ込められた前記レーザ光によって前記反射筒内
に供給されたガスのイオン化を行うとともに、前記電極
により前記イオン化された荷電粒子を取り出すことを特
徴とするイオン化装置。4. A laser light source for emitting laser light; a laser light confinement device according to claim 2; and the emitted laser light is incident on a laser light introduction part of the laser light confinement device at a predetermined incident angle. An introducing optical system for causing gas to be supplied into the reflecting cylinder of the laser beam confinement device; and a charged particle disposed in the vicinity of the opening of the reflecting cylinder and drawing charged particles in the reflecting cylinder from the reflecting cylinder. Or at least one of an extraction electrode and an extrusion electrode for extruding, and causing the laser light emitted from the laser light source to enter the laser light introduction unit at the predetermined incident angle by the introduction optical system, The incident laser light is confined in the reflection tube of the laser light confinement device, and the laser beam confined by the confined laser light is supplied into the reflection tube. An ionization apparatus which turns on and takes out the ionized charged particles by the electrode.
開口部近傍に配設された試料にレーザ光を照射させて前
記試料を蒸発させガス化させるための第２のレーザ光源
と照射光学系とを有し、 前記ガス化させた試料ガスを前記反射筒内部に導入する
ことを特徴とする請求項４に記載のイオン化装置。5. A gas supply means, comprising: a second laser light source for irradiating a sample disposed in the vicinity of one opening of the reflection tube with a laser beam to evaporate and gasify the sample; The ionization apparatus according to claim 4, further comprising an optical system, wherein the gasified sample gas is introduced into the reflection tube.
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|---|---|---|---|
| JP27569899A JP2001099995A (en) | 1999-09-29 | 1999-09-29 | Laser beam containment method, laser beam containment device using this method, and charge conversion device for and ionization device for tandem accelerator using this device |
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| JP27569899A JP2001099995A (en) | 1999-09-29 | 1999-09-29 | Laser beam containment method, laser beam containment device using this method, and charge conversion device for and ionization device for tandem accelerator using this device |
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