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静電型イオントラップ内の ビーム軌道に関する研究

静電型イオントラップ内の ビーム軌道に関する研究. 環境計測学研究室 横田　敦　. 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. 研究背景. 静電型イオントラップを開発. 装置特徴・性能. 静電型 質量依存なし 小型 全長 500 mm. 1.2 keV-Ar + イオンを約 100 msec 蓄積できた. 研究目的. 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･･･. イオンビームの軌道を実験的に調べる. イオントラップ概要. アインツェルレンズ 1130 V. 500 mm.

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静電型イオントラップ内の ビーム軌道に関する研究

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Presentation Transcript

  1. 静電型イオントラップ内のビーム軌道に関する研究静電型イオントラップ内のビーム軌道に関する研究 環境計測学研究室 横田　敦　

  2. 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 研究背景 静電型イオントラップを開発 装置特徴・性能 静電型 質量依存なし 小型 全長500 mm 1.2 keV-Ar+イオンを約100 msec蓄積できた

  3. 研究目的 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･･･ • イオンビームの軌道を実験的に調べる

  4. イオントラップ概要 アインツェルレンズ 1130 V 500 mm イオントラップ概略図 入口 1.2keVAr+ 周回時間 12.1 usec 出口 反射補助電極　935 V 反射電極　1870 V

  5. デフレクターでパルスビームを生成 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 トラップ入口電極 電圧立ち上げ パルスビームを トラップに蓄積 到達真空度 2.5×10-6 Pa 全体実験装置図　1.2 keV-Ar+ DP(250 l/s) TMP (400 l/s) TMP(400 l/s) 500 mm 180 mm 到達真空度 2.5×10-6 Pa

  6. 中性Ar数カウント測定実験セットアップ 中性粒子数は イオンの個数に比例 トラップから逃れてきた 中性粒子数の計数の時間変化 中性化 1.2keVAr+ Amp. Discri. Level Converter MCS 入口 出口

  7. Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅰ 領域Ⅰ・Ⅱ：入射条件で傾きが変わる Ⅱ Ⅲ 領域Ⅲ　 ：入射条件に依存せず一定の傾き 中性Ar数の測定結果 Vacuum : 2.5 ×10-6Pa Data：中性Ar数 ⇒イオンビームの軌道が原因？

  8. →蓄積開始からの時間経過に対する 　軌道の変化の評価 イオンビーム軌道の測定実験 方法 中性粒子の位置 →イオントラップ内の周回軌道を反映 →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

  9. 中性Ar X=2QS / (QW+QS+QM) Y=2QW/ (QW+QS+QM) --印加電圧-- MCP入射面：0V MCP出射面：2550V W&Sアノード：2600V QM QS QW 電子雲 3段MCP 検出器－W&Sanode-MCPdetector Wedge&Strip アノード Middle Strip Wedge 計測システム

  10. 計測システム GATE GATE GATE 可変の測定開始時間と 時間幅が必要 Pre Amp. Main Amp. ADC リストモードで保存 Ｑw ＱM ＱS 電荷信号 デジタル信号へ変換 パルス整形・増幅

  11. タイミングチャート　1.2 keV Ar+ マイコンで制御 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 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 1sec 11.9msec →トラップ開始 12.1msec GDGで制御 Width 測定時間 10msec10msec Delay Time 測定開始時間 　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 ) トラップ入口電圧 　　 制御信号 (　トラップ開始　) ADCへの GATE信号

  12. 線形性確認 メッシュ: 幅0.42㎜ 16mesh/inch 検出器全体にビームを照射 中央付近を拡大 512 Ｙ 256 Ｘ 0 256 512 0.18 mm / ch

  13. 位置スペクトル－トラップなし1.2keV Ar+ 検出器面 10 mm Ｙ 0 （ch） Y 125 250 375 *0.18 mm / ch X 500 X （ch） 0 125 250 375 500

  14. 位置スペクトル23次元表示 トラップあり 中性Ar トラップなし 1.2 keV Ar+ カウント数 Y 軸 X 軸

  15. 強度分布中心からの距離の関数 中心 X 中心 Y スペクトル解析方法

  16. 解析結果1.同心円上カウント 0_1 ms 0_1 ms 0_1 ms （領域Ⅰ） 40_50 ms （領域Ⅱ） 3_13 ms 3_13 ms （領域Ⅲ） 0_1 msec 3_13 msec 強度分布中心からの距離 (mm) 強度分布中心からの距離 (mm) 40_50 msec 強度分布中心からの距離 (mm)

  17. 中心へのシフトを確認 解析結果2.中性Ar密度分布 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

  18. SIMIONによる蓄積時間シミュレート 50 msec未満に失われてしまうイオンの存在を示唆 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 トラップ中心から発射　1.2keV Ar+

  19. 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 安定な軌道 例２．ｒ＝2.0 mm θ＝0 mrad　蓄積時間100μsec未満 不安定な軌道

  20. 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－例2 例3．ｒ＝1.6 mm θ＝2 mrad　蓄積時間20 msec 準安定な軌道 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

  21. 13 msec未満で損失 50 msec未満で損失 準安定軌道 時間の経過で損失するイオンがある 不安定軌道 領域 シミュレーション結果 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 ・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

  22. ～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

  23. 完（はいぱーりんく？）

  24. SIM定量化方法 150 mm 500 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 実験と同様、 中性ArのR分布を作成 　最大発散角度はビームスポット径　　　から見積もり 　弾性衝突は考慮しない

  25. SIM定量化結果

  26. 安定軌道の範囲 400 mm 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 150 mm 500 mm 検出器 イオントラップ 安定軌道を描くイオンは・・・ トラップ中心で±0.2~0.3mradの角度依存 中性Arの検出範囲 最大 0.1 mm程度の広がり

  27. 補足1　イオン数の減少 電子捕獲反応だけが行われていると仮定すると･･･ 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

  28. 補足2　入射条件変更による減少傾きの違い

  29. 補足3 チャンネル当たりの長さ算出 比較 実際のメッシュ メッシュ幅0.42㎜ 16mesh/inch 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

  30. 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

  31. 中性粒子数測定結果(分子イオン) Vacuum : 1.4 ×10-8Torr

  32. 発表概要 イオントラップの性能評価を目的として･･･ 　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

  33. 中性粒子数カウント測定実験 中性粒子数は イオンの個数を反映 トラップから逃れてきた 中性粒子数の計数の時間変化 1.2keVAr+ Amp. Discri. Level Converter MCS 入口 出口

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