環境計測学研究室

横田　敦　

静電型イオントラップ内のビーム軌道に関する研究

研究背景

装置特徴・性能 静電型 質量依存なし

小型 全長 500 mm

　分子イオンを振動基底状態にそろえて

衝突解離実験を行うことを目的

1.2 keV-Ar+ イオンを約 100 msec 蓄積できた

　静電型イオントラップを開発

研究目的

イオンビームの軌道を実験的に調べる

イオンを蓄積した結果、イオントラップの　蓄積効率に改善の余地がある･･･

イオントラップ概要

500 mm

1.2keV 　 Ar+

周回時間 12.1 usec

反射電極　 1870 V

反射補助電極　 935 Vアインツェルレンズ 1130 V

イオントラップ概略図

入口 出口

500 mm 180 mm

全体実験装置図　 1.2 keV-Ar+

到達真空度 2.5×10-6 Pa

DP(250 l/s)

TMP(400 l/s)

パルスビームをトラップに蓄積

トラップ入口電極

電圧立ち上げ

TMP(400 l/s)

中性 Ar を MCP で測定

・ 　　 MCS 　　⇒ 中性 Ar 数測定実験

・ W&S アノード⇒ 位置測定実験

デフレクターでパルスビームを生成

到達真空度 2.5×10-6 Pa

中性 Ar 数カウント測定実験セットアップ

1.2keV 　 Ar+

出口入口

Amp.

Discri.

MCS

トラップから逃れてきた中性粒子数の計数の時間変化

中性粒子数はイオンの個数に比例

Level

Converter

中性化

中性 Ar 数の測定結果

101

102

103

104

105

counts

250200150100500

time (msec)

1.2 keV Ar+ 1.9 x 10-8 Torr

Ar τ=90.0 ±1.7 msec

　　 Vacuum : 2.5 ×10-

6　 Pa　 Data 　　 ：　中性 Ar 数

Ⅰ

Ⅱ

ⅢⅡ

Ⅲ

Ⅰ領域Ⅰ・Ⅱ：入射条件で傾きが変わる

　 領域Ⅲ　 ：入射条件に依存せず一定の傾き

⇒イオンビームの軌道が原因？

イオンビーム軌道の測定実験

→ 蓄積開始からの時間経過に対する　軌道の変化の評価

　→ある特定の時間帯にイオントラップから逃れてき　 た中性粒子の 2 次元位置分布を測定

中性粒子の位置

→ イオントラップ内の周回軌道を反映

方法

検出器－ W&Sanode-MCPdetectorEXPERIMENTAL METHODS IN THE PHYSICAL SCIENCES P262引用

3段MCP

Wedge&Strip

アノード

-- 印加電圧 --

MCP 入射面： 0V

MCP 出射面： 2550V

W&S アノード： 2600V

X=2QS / (QW+QS+QM)

Y=2QW/ (QW+QS+QM)

QW

QM

QS

計測システムWedge Strip

Middle

中性 Ar

電子雲

計測システム

Pre Amp.

Main Amp.

ADCリストモードで

保存Ｑ w

ＱM

ＱS

電荷信号 パルス整形・増幅 デジタル信号へ変換 可変の測定開始時間と

時間幅が必要

GATE

GATE

GATE

トラップ入口電圧　　 制御信号

( 　トラップ開始　 )

ADC へのGATE 信号

　スタート信号　 ( 基準信号 )

デフレクタースイッチ信号　 ( パルスビーム生成 )

タイミングチャート　 1.2 keV Ar+

　Width測定時間測定開始時間

Delay Time

10msec 　 10msec

マイコンで制御

GDG で制御

トラップ内を往復運動する時間より短いパルスビーム生成

11.9sec

パルスビームがデフレクターを通過してからトラップ入口まで到達する時間

sec

1sec

→トラップ開始

メッシュ : 幅 0.42 ㎜ 16mesh/inch

Ｘ

Ｙ

0 256　

512

256　

512

0.18 mm / ch

検出器全体にビームを照射 中央付近を拡大

線形性確認

位置スペクトル－トラップなし 1.2keV Ar+

10 mm

0

0

125

250

375

500125 250

　375 500

X

Ｙ

*0.18 mm / ch

（ ch ）

（ ch ）

検出器面

X

Y

トラップなし 1.2 keV Ar+

位置スペクトル 2 　 3 次元表示

トラップあり 中性 Ar

X 軸Y 軸

カウント数

600

500

400

300

200

100

0

Cou

nts

-6 -4 -2 0 2 4 6

X coordinate (mm)

:X軸に対する射影の積分値

fitting：

600

500

400

300

200

100

0

Co

un

ts

-6 -4 -2 0 2 4 6

Y coordinate (mm)

:Y軸に対する射影の積分値

fitting：

スペクトル解析方法

強度分布中心からの距離の関数

中心 X中心 Y

解析結果 1. 同心円上カウント0_1 ms

強度分布中心からの距離 (mm)

3_13 ms0_1 ms

強度分布中心からの距離 (mm)

40_50 ms

3_13 ms0_1 ms

強度分布中心からの距離 (mm)

101

102

103

104

coun

ts200150100500

time (msec)

0_1 msec

3_13 msec

40_50 msec

（領域Ⅰ）

（領域Ⅱ）

（領域Ⅲ）

解析結果 2. 中性 Ar 密度分布

中心へのシフトを確認

イオンが周回運動を繰り返すうちに失われた⇒中心軸付近のイオンのみ蓄積

SIMION による蓄積時間シミュレート

　初期条件：中心軸からの距離 r と角度 θ を変える

蓄積される時間を調べる

位置分解能は 0.1mm/grid 、実験と同じ電極構造と印可電圧

50 msec未満に失われてしまうイオンの存在を示唆

トラップ中心から発射　 1.2keV Ar+

シミュレーション－例 1

例１．ｒ＝ 0.5 mm 　 θ＝ 0 mrad 　蓄積時間 100 msec以上

例２．ｒ＝ 2.0 mm 　 θ＝ 0 mrad 　蓄積時間 100μsec未満

安定な軌道

不安定な軌道

シミュレーション－例 2

例 3．ｒ＝ 1.6 mm 　 θ＝ 2 mrad 　蓄積時間 20 msec

ｒを 0.1 mm ずつ変更し、 0≦ｒ≦ 2.0 (mm) 、 θ を 0.2 mrad ずつ変更し、 － 8 ≦θ≦8 ( mrad) の初期条件でイオンを飛行させｒ－ θ 分布を作成

準安定な軌道

周回運動を繰り返すうちに損失されるイオン

シミュレーション結果

2.01.51.00.50.0

r (mm)

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

(m

rad)

1 msec以上蓄積されるトラップ中心での ｒ と θ の範囲

安定軌道領域

不安定軌道領域

準安定軌道時間の経過で損失するイオンがある

13 msec未満で損失 50 msec未満で損失

・ｒ =1.5 mm 、 θ= 1～ 3 mrad 程度

・トラップ中心から検出器までの距離は約 500mm

⇒イオンは検出器中心から 1.5～ 3.0 mm 付近で検出される

～結論～

1. トラップ開始からの時間経過とともに、　 検出される中性 Ar の密度分布は中心へ　　シフトする

2. 1. の結果は微小角度を持ってトラップへ 　 入射したイオンが周回運動を繰り返す内　 に安定軌道から外れるためである

3. 今後トラップ効率をあげるには、 φ4mm　 程度のビームをトラップへ入射する

完（はいぱーりんく？）

500 mm150 mm

検出器 イオントラップ

　飛行イオンが 0.1 mm 間隔で全て中　　性化し、検出器まで到達したと仮定

　弾性衝突は考慮しない

実験と同様、

中性 Ar の R 分布を作成

SIM定量化方法

　最大発散角度はビームスポット径　　　から見積もり

SIM定量化結果

解析２　トラップ開始後 40_50msec

トラップ内を周回運動する　　　　　イオンビーム軌道の範囲の見積もり

トラップ中心で±0.2~0.3mrad

の角度依存

安定軌道を描くイオンは・・・

500 mm150 mm

安定軌道の範囲中性 Ar の検出範囲

検出器 イオントラップ

最大 0.1 mm程度の広がり 400 mm

いるイオン数秒後にトラップされて蓄積開始からt:)(tI

の電子捕獲断面積蓄積されているイオン:の速度蓄積されているイオン:vの原子数密度トラップ内の残留ガス:n

電子捕獲反応だけが行われていると仮定すると･･･

プされているイオン数蓄積開始直後にトラッ:0I

蓄積イオン数が 1/e になる時間 (τ) を蓄積されているイオンの寿命としてトラップ性能を評価

補足 1 　イオン数の減少

補足 2 　入射条件変更による減少傾きの違い

補足 3 チャンネル当たりの長さ算出

実際のメッシュメッシュ幅 0.42 ㎜ 16mesh/in

ch

比較

Transform 上で観測したビーム像の拡大図

ROENTDEK社製W&S_MCP detector位置分解能スペック　 0.1mm以下 算出 → 0.18 mm / channel

補足 4 40_50msec 2次元半値幅

セルに格納した最大値の半分未満のセルを全て黒で表示

100

101

102

103

104

105

cou

nts

250200150100500

life time (msec)

Vacuum: 1.4×10^-8 Torr

CO τ=103.9±5.1 msec

CO2 τ=137.7±6.6 msec

中性粒子数測定結果 ( 分子イオン )

Vacuum : 1.4 ×10-8 　 Torr

発表概要

　新たに Kr ＋、 Xe ＋の原子イオンと CO+ 、 CO2

+ の　　　分子イオンについての蓄積を行った

　性能評価のひとつとして、トラップ内のビーム　　 軌道について実験的に調べた

イオントラップの性能評価を目的として･･･

中性粒子数カウント測定実験

1.2keV 　 Ar+

出口入口

Amp.

Discri.

MCS

トラップから逃れてきた中性粒子数の計数の時間変化

中性粒子数はイオンの個数を反映

Level

Converter