JP2001057160A - 負イオン源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】負イオンとともに引き出される電子のうち、加
速される電子の量を抑制することが可能とする。 【解決手段】放電プラズマから負イオンを引き出して加
速するビーム引き出し孔が複数穿設され、かつビームの
進行方向に対して複数段設置された電極を有し、この複
数段設置された電極のうち、ビームＢの進行方向に対し
て第２の電極７のビームの入口部分に設けられ、かつ引
き出される電子量を抑え電子軌道を偏向させる磁場を形
成する第１の磁場形成手段２１と、第２の電極７のビー
ムＢの出口部分に設けられ、かつビームＢ軸と直交する
方向に磁場を形成する第２の磁場形成手段２６とを備え
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、核融合炉の中性粒
子ビーム入射装置において負イオンビームを発生する負
イオン源に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、負イオン源は、１００ｋｅＶを
超える高エネルギー領域において負イオンの中性ビーム
への変換効率が良好である点から、プラズマ加熱に高エ
ネルギーを必要とする核融合炉において、中性粒子ビー
ム入射装置（ＮＢＩ：Ｎｅｕｔｒａｌ Ｂｅａｍ Ｉｎ
ｊｅｃｔｏｒ）のイオン源として注目されている。

【０００３】このような負イオン源の従来技術について
図１２を参照して説明する。図１２は従来の負イオン源
を示す断面図である。図１２において、放電プラズマを
内部に形成する放電容器１は、上板２と、この上板２に
それぞれ固定される４面の側壁３とを有し、かつ底面に
開口部を有する方形の箱状容器であって、その底面開口
は側板３に絶縁材４を介して取り付けられ、かつ放電プ
ラズマから負イオンを引き出す第１の電極５で閉塞され
ており、この第１の電極５には負イオンの引き出し孔で
ある多数の貫通孔６が設けられている。

【０００４】また、第１の電極５の外側には、第２，第
３の電極７，８がそれぞれ絶縁材４を介し離隔して配置
され、第２，第３の電極７，８にも多数の貫通孔９，１
０がそれぞれ第１の電極５の貫通孔６に対応するように
形成されている。

【０００５】さらに、放電容器１の上板２および側壁３
の内面近傍には、陽極を上板２および側壁３とするよう
にして陰極を形成するフィラメント１１が配設されてい
る。そして、上板２には、放電容器１内に一端が開口す
るガス導入口１２と、同じく放電容器１内に一端が開口
するアルカリ金属蒸気導入口１３とが取り付けられ、上
板２の外面には角棒状の複数の磁石１４が互いに平行と
なるように配設されている。

【０００６】なお、磁石１４は、上板２の外面に直交す
る方向に着磁され、かつ隣接するもの同士が異なる極性
となるように配列されている。さらに、側壁３の外面に
も角棒状の複数の磁石１５が水平方向にそれぞれ平行と
なるように、また同様に側壁３の外面に直交する方向に
着磁され、かつ隣接するもの同士が異なる極性となるよ
うに配列されている。

【０００７】さらにまた、側壁３の下部の外面には、こ
の外面に直交する方向でかつ隣接する磁石１５と同じ方
向に着磁されるとともに、磁石１５よりも残留磁束密度
の大きいフィルタ磁石１６が対向して設けられ、これら
のフィルタ磁石１６は対向する側壁３において互いに異
なる磁極が対向して形成されている。

【０００８】なお、１７は放電プラズマ閉じ込め磁界を
形成する磁石１４，１５およびフィルタ磁石１６の磁力
線であり、また磁石１５とフィルタ磁石１６とによる放
電容器１を横切る磁界によって磁気フィルタが形成さ
れ、この磁気フィルタによって放電容器１内は上板２側
に第一室１８、第１の電極５側に第二室１９が区画され
る。

【０００９】このようにして構成された負イオン源で
は、いわゆる体積生成法と呼ばれる方法によって負水素
イオン（以下、Ｈ⁻という。）が生成される。このＨ⁻
の生成は２段階の原子反応からなるとされ、

【化１】 Ｈ_２ ＋ｅ⁻（ｆ）→Ｈ_２ ^＊＋ｅ⁻ ……（１）

【化２】 Ｈ_２ ^＊＋ｅ⁻（ｓ）→Ｈ⁻ ＋Ｈ ……（２） の（１）式で示されるように水素ガス分子が数１０〜１
００ｅＶの高温電子との衝突によって高振動レベルに励
起され、（２）式で示されるようにさらにそれに引き続
く１ｅＶ以下の低温電子が解離的に付着することによっ
てＨ⁻は生成される。さらに、大電流の負イオンビーム
を負イオン源から発生させるため、上記の反応に加え、
放電容器内にアルカリ金属の蒸気を導入する表面生成法
と呼ばれる方法を併用する。

【００１０】この表面生成法では、放電容器に導入され
たアルカリ金属蒸気は、第１の電極の表面に付着して、
電極表面の仕事関数を下げる働きをすると言われてい
る。そうすることによって放電プラズマ中で生成される
正水素イオンや中性水素原子などが第１の電極と衝突し
て第１の電極から電子を受け取り、Ｈ⁻が生成されるの
である。

【００１１】図１３は図１２の電極の部分を示す拡大図
である。図１３において、第２の電極７の貫通孔９に
は、ビームの進行方向に向かって孔径が大きくなるよう
にテーパ加工が施され、さらにビームの出口部には孔径
を小さくする電子トラップ２０が設けられている。ま
た、第２の電極７には、複数の角棒状の磁石２１が水平
方向にそれぞれ平行となるように、また第２の電極７の
面に直交する方向に着磁され、隣接するものが交互に異
なる極性となるように配列され内蔵されている。なお、
符号２２は磁石２１の作る磁力線である。また、第２の
電極７には、その電極７に衝突する荷電粒子による熱を
除去するために水冷パイプ２３も内蔵されている。

【００１２】第１の電極５と第２の電極７との間には、
放電容器１内の放電プラズマからＨ ⁻を引き出して加速
するため、第２の電極７に対して第１の電極５に負の電
位を印加するための引き出し電源２４が接続される一
方、第２の電極７と第３の電極８との間には、プラズマ
から引き出されたＨ⁻を所定のエネルギーに加速するた
め、第３の電極８に対して第２の電極７に負の電位を印
加するための加速電源２５が接続される。

【００１３】このような構成からなる従来の負イオン源
の動作について説明する。

【００１４】すなわち、図１２において、図示しない真
空排気装置によって真空に排気した放電容器１に図示し
ないアルカリ金属オーブンで加熱・蒸気化したアルカリ
金属をアルカリ金属蒸気導入口１３から供給しておいた
状態で、図示しないガス源からガス導入口１２を通して
水素ガスを供給し、同じく図示しないフィラメント電源
によってフィラメント１１に通電して加熱した状態で、
図示しないアーク電源によってフィラメント１１を陰
極、上板２および側壁３を陽極とする直流アーク放電を
発生させ、この放電によって放電容器１の第一室１８内
に放電プラズマを生成するとともに、この放電プラズマ
を磁石１４および磁石１５によって作られる磁場によっ
て放電容器１内に閉じ込める。

【００１５】このようにして生成された放電プラズマ
は、第二室１９の方向に拡散する。ここで、プラズマが
磁気フィルタを横切って通過する際、プラズマ中の電子
は磁界中のラーマ半径が小さいため、磁気フィルタに捕
捉され、放電容器１内に存在する水素ガスなどと衝突し
ながらエネルギーを失い、第二室１９に到達する過程で
低温の電子になる。一方、水素イオンの磁界中でのラー
マ半径は、磁気フィルタの厚みに対して大きいため、水
素イオンは磁気フィルタを通り抜けることができ、その
まま第二室１９に移動することができる。

【００１６】すなわち、このようにして第一室１８には
水素分子の励起に適した電子エネルギー分布を持つ高温
プラズマが、第二室１９には励起水素分子の解離性付着
反応を起こすのに適した電子エネルギー分布を持つ低温
プラズマがそれぞれ生成される。そして、第一室１８に
おいて高エネルギー電子との衝突によって生成された振
動励起水素分子が第二室１９で低温電子との衝突によっ
て解離性付着反応を起こし、Ｈ⁻が形成される。

【００１７】また、放電容器１に導入されたアルカリ金
属蒸気は、第１の電極５に付着して電極表面の仕事関数
を下げているため、放電プラズマ中の正水素イオンや中
性水素原子などが第１の電極５と衝突した際にもＨ⁻が
生成される。このようにして第二室１９に生成されたＨ
⁻は、同じ荷電極性を持つ電子とともに引き出し電源２
４の作る電界によって第１の電極５の貫通孔６から引き
出される。

【００１８】さらに、図１３に示すように第２の電極７
に内蔵された磁石２１によって第１の電極５と第２の電
極７との間のギャップには、磁力線２２が作られてい
る。この磁場は、第二室１９から引き出される電子成分
の量を抑えるとともに、引き出されたビーム中からＨ⁻
のみを選別する働きを有する。

【００１９】すなわち、引き出されたＨ⁻と電子は、こ
の磁界によって軌道変更されるものの、Ｈ⁻は磁界中の
ラーマ半径が大きいため、ほとんど軌道偏向を受けず、
第２の電極７に到達した後、貫通孔９を通り、さらに加
速電源２５の作る電界により加速され、第３の電極８の
貫通孔１０を通ってビームとして引き出される。

【００２０】一方、ラーマ半径の小さい電子は、第１の
電極５と第２の電極７との間のギャップを通過する際に
大きな軌道偏向を受け、取り除かれる。Ｈ⁻が加速され
る途中では、第１，第２，第３の電極５，７，８に穿設
された貫通孔６，９，１０を通じて放電容器１から漏れ
出している水素ガスとの衝突によって、以下の反応が起
こることが知られている。

【００２１】

【化３】 Ｈ⁻ ＋ Ｈ_２→ Ｈ＋ｅ⁻＋Ｈ_２ ……（３）

【００２２】上記（３）の反応によりＨ⁻から脱離した
脱離電子、その脱離電子や反応によって生成された中性
水素原子が第２の電極７と衝突することによって電極表
面から放出される二次電子などが発生する。これら二次
的に発生した電子は、磁石２１が第２の電極７の出口側
に作る磁場および電子トラップ２０によって捕捉される
ことで、加速電源２５の作る加速電界の領域に到達する
量を抑えている。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような方法では、Ｈ⁻から脱離した脱離電子、その脱離
電子や反応によって生成された中性水素原子が第２の電
極７と衝突することによって電極表面から放出される二
次電子を十分に捕捉することができないため、それらは
Ｈ⁻とともに、加速電源２５の作る電界によって加速さ
れてしまうことになる。

【００２４】このようにして発生する加速電子は、その
質量がＨ⁻に比べて軽いため、フィルタ磁石１６や第２
の電極７に内蔵された磁石２１の作る磁場によって容易
に軌道偏向を受けるため、その全てが第３の電極８に穿
設された貫通孔１０を通り抜けるわけではなく、第３の
電極８とも衝突して電極に大きな熱負荷を与える。

【００２５】また一般に、核融合炉ではプラズマ閉じ込
めのために強力な磁場が形成されており、第３の電極８
の貫通孔１０を通り抜けた電子もこの磁場の影響で軌道
偏向を受け、プラズマ加熱パワーとしてプラズマに入射
されることはなく、ほとんど全てが負イオン源と核融合
炉との間をつなぐビームラインの壁と衝突して熱負荷と
なる。

【００２６】すなわち、加速電源２５から供給している
ビーム加速電力のうち、加速電子の担う部分は、ほとん
ど全てがロスになり、中性粒子入射装置の稼働効率を低
下させる。さらに、このような加速電子は、上記の通り
第３の電極８やビームラインの壁に大きな熱負荷を与え
るため、場合によっては各部分の熱的な溶融が発生する
こともあり、装置の信頼性が低くなってしまうという問
題があった。

【００２７】そこで、本発明は上記事情を考慮してなさ
れたもので、負イオンとともに引き出される電子のう
ち、加速される電子の量を抑制することが可能で、高い
効率と信頼性を有する負イオン源を提供することを目的
とする。

【００２８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、請求項１記載の発明では、放電容器と、この放電容
器を真空に排気する手段と、前記放電容器に放電の原料
ガスを供給する手段と、前記放電容器内に放電プラズマ
を生成するための手段と、前記放電プラズマから負イオ
ンを引き出して加速するためにビーム引き出し孔がそれ
ぞれ複数穿設され、かつビームの進行方向に対して複数
段設置された電極とを有する負イオン源において、前記
複数段設置された電極のうち、前記ビームの進行方向に
対して第２の電極のビームの入口部分に設けられ、かつ
引き出される電子量を抑え電子軌道を偏向させる磁場を
形成する第１の磁場形成手段と、前記第２の電極のビー
ムの出口部分に設けられ、かつビーム軸と直交する方向
に磁場を形成する第２の磁場形成手段とを備えたことを
特徴とする。

【００２９】請求項１記載の発明によれば、第２の電極
に設置されている負イオン源から引き出される電子量を
抑え、電子軌道を偏向させるための磁場に加えて、ビー
ムの出口部分に第２の磁場形成手段を設け、ビーム軸と
直交する方向に磁場が形成されているため、Ｈ⁻が加速
される過程で放電容器１から漏れ出している水素ガスと
の衝突によって生成されるＨ⁻からの脱離電子、その脱
離電子や中性水素原子が第２の電極と衝突することによ
って電極表面から発生する二次電子などは、ビームの出
口部分に設けられたビーム軸と直交する方向の磁場に捕
捉され、加速電源の作る加速電界の領域に侵入すること
ができない。その結果、加速電子の量を抑え、高い効率
と信頼性を有する負イオン源を提供することが可能とな
る。

【００３０】請求項２記載の発明では、請求項１記載の
第２の磁場形成手段は、第２の電極のビームの出口部分
に設けられた電子トラップに、ビーム軸と直交する方向
に着磁された永久磁石を埋設し、この永久磁石にて磁場
を形成したことを特徴とする。

【００３１】請求項３記載の発明では、請求項１記載の
第２の電極のビームの進行方向下流側に、第２の電極に
対して同電位かあるいは負の電位を有する他の電極を設
置したことを特徴とする。

【００３２】請求項４記載の発明では、請求項１または
３のいずれかに記載の第２の磁場形成手段は、第２の電
極と第３の電極との間に設けた他の電極の内部に埋設し
た永久磁石にて磁場を形成したことを特徴とする。

【００３３】請求項５記載の発明では、請求項１または
３のいずれかに記載の第２の磁場形成手段は、他の電極
に電流を流して磁場を形成したことを特徴とする。

【００３４】請求項６記載の発明では、放電容器と、こ
の放電容器を真空に排気する手段と、前記放電容器に放
電の原料ガスを供給する手段と、前記放電容器内に放電
プラズマを生成するための手段と、前記放電プラズマか
ら負イオンを引き出して加速するためにビーム引き出し
孔がそれぞれ複数穿設され、かつビームの進行方向に対
して複数段設置された電極とを有する負イオン源におい
て、前記複数段設置された電極のうち、前記ビームの進
行方向に対して第２の電極のビームの入口部分に設けら
れ、かつ引き出される電子量を抑え電子軌道を偏向させ
る磁場を形成する磁場形成手段と、前記第２の電極に穿
設されたビーム引き出し孔と、このビーム引き出し孔に
ビームの進行方向に向かって孔径が大きくなるように形
成されたテーパ部と、第２の電極のビームの進行方向下
流側に設置された他の電極と、この他の電極にビームの
進行方向と逆向きに形成された突起とを備えたことを特
徴とする。

【００３５】請求項７記載の発明では、放電容器と、こ
の放電容器を真空に排気する手段と、前記放電容器に放
電の原料ガスを供給する手段と、前記放電容器内に放電
プラズマを生成するための手段と、前記放電プラズマか
ら負イオンを引き出して加速するためにビーム引き出し
孔がそれぞれ複数穿設され、かつビームの進行方向に対
して複数段設置された電極とを有する負イオン源におい
て、前記複数段設置された電極のうち、前記ビームの進
行方向に対して第２の電極のビームの入口部分に設けら
れ、かつ引き出される電子量を抑え電子軌道を偏向させ
る磁場を形成する磁場形成手段と、前記第２の電極に穿
設されたビーム引き出し孔と、このビーム引き出し孔に
ビームの進行方向に向かって孔径が大きくなるように形
成されたテーパ部と、前記第２の電極のビームの出口部
分にビームの進行方向と逆向きに形成された第１の突起
と、前記第２の電極のビームの出口部分にビームの進行
方向に向かって孔径が小さくなるように形成された第２
の突起とを備えたことを特徴とする。

【００３６】請求項８記載の発明では、放電容器と、こ
の放電容器を真空に排気する手段と、前記放電容器に放
電の原料ガスを供給する手段と、前記放電容器内に放電
プラズマを生成するための手段と、前記放電プラズマか
ら負イオンを引き出して加速するためにビーム引き出し
孔がそれぞれ複数穿設され、かつビームの進行方向に対
して複数段設置された電極とを有する負イオン源におい
て、前記複数段設置された電極のうち、前記ビームの進
行方向に対して第２の電極のビームの入口部分に設けら
れ、かつ引き出される電子量を抑え電子軌道を偏向させ
る磁場を形成する磁場形成手段と、前記第２の電極に穿
設されたビーム引き出し孔と、このビーム引き出し孔の
内面にビーム軸の方向に略平行に形成された突起とを備
えたことを特徴とする。

【００３７】請求項９記載の発明では、放電容器と、こ
の放電容器を真空に排気する手段と、前記放電容器に放
電の原料ガスを供給する手段と、前記放電容器内に放電
プラズマを生成するための手段と、前記放電プラズマか
ら負イオンを引き出して加速するためにビーム引き出し
孔がそれぞれ複数穿設され、かつビームの進行方向に対
して複数段設置された電極とを有する負イオン源におい
て、前記複数段設置された電極のうち、前記ビームの進
行方向に対して第２の電極のビームの入口部分に設けら
れ、かつ引き出される電子量を抑え電子軌道を偏向させ
る磁場を形成する磁場形成手段と、前記第２の電極に穿
設されたビーム引き出し孔とを有し、このビーム引き出
し孔の部分が二次電子放出係数の小さいグラファイト，
ニッケル，モリブデンの少なくとも一種から構成される
ことを特徴とする。

【００３８】請求項１０記載の発明では、請求項３ない
し６のいずれかに記載の他の電極は、二次電子放出係数
の小さいグラファイト，ニッケル，モリブデンの少なく
とも一種から構成されることを特徴とする。

【００３９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。

【００４０】［第１実施形態］図１は本発明に係る負イ
オン源の第１実施形態の電極部分を示す拡大図である。
なお、従来の構成と同一または対応する部分には、図１
２および図１３と同一の符号を用いて説明する。

【００４１】本実施形態の負イオン源は、図１２に示す
従来例と同様に、放電容器１を真空に排気する図示しな
い真空排気装置と、放電容器１に図示しないガス源から
ガス導入口１２を通して放電の原料ガスである水素ガス
を供給する手段と、放電容器１内において図示しないフ
ィラメント電源によってフィラメント１１に通電して加
熱した状態で、図示しないアーク電源によってフィラメ
ント１１を陰極、上板２および側壁３を陽極とする直流
アーク放電を発生させ、この放電によって放電容器１の
第一室１８内に放電プラズマを生成する手段と、放電プ
ラズマから負イオンを引き出して加速するためにビーム
引き出し孔としての貫通孔６，９，１０がそれぞれ複数
穿設され、かつビームＢの進行方向に対して複数段（本
実施形態では３段）設置された第１〜第３の電極４，
７，８とを有している。

【００４２】また、第２の電極のビームの入口部分に
は、角棒状に形成された第１の磁場形成手段としての複
数の磁石２１が埋設され、これらの磁石２１は第２の電
極７の電子トラップ２０の水平方向に対してそれぞれ平
行となるように、かつ第２の電極７の水平面に直角な方
向に着磁されるとともに、隣接するものが互いに異なる
極性となるように配列されている。

【００４３】さらに、本実施形態の負イオン源では、第
２の電極７のビームＢの出口部分に、角棒状に形成され
た第２の磁場形成手段としての複数の磁石２６が埋設さ
れ、これらの磁石２６は水平方向に対してそれぞれ平行
となるように、かつ第２の電極７の水平面に直角な方向
に着磁されるとともに、隣接するものが互いに異なる極
性となるように、また磁石２１と向かい合う磁極の極性
が互いに異なるように配列されている。

【００４４】上記のような負イオン源における基本動作
を説明する。なお、放電プラズマの生成に関する部分に
ついては図１２を用いて説明する。

【００４５】まず、図示しない真空排気装置によって真
空に排気した放電容器１に図示しないアルカリ金属オー
ブンで加熱・蒸気化したアルカリ金属をアルカリ金属蒸
気導入口１３から供給しておいた状態で、図示しないガ
ス源からガス導入口１２を通して水素ガスを供給し、同
じく図示しないフィラメント電源によってフィラメント
１１に通電して加熱した状態で、図示しないアーク電源
によってフィラメント１１を陰極、上板２および側壁３
を陽極とする直流アーク放電を発生させ、この放電によ
って放電容器１の第一室１８内に放電プラズマを生成す
るとともに、この放電プラズマを磁石１４および磁石１
５によって作られる磁場によって放電容器１内に閉じ込
める。

【００４６】このようにして生成された放電プラズマ
は、第二室１９の方向に拡散する。ここで、プラズマが
磁気フィルタを横切って通過する際、プラズマ中の電子
は磁界中のラーマ半径が小さいため、磁気フィルタに捕
捉され、放電容器１内に存在する水素ガスなどと衝突し
ながらエネルギーを失い、第二室１９に到達する過程で
低温の電子になる。一方、水素イオンの磁界中でのラー
マ半径は、磁気フィルタの厚みに対して大きいため、水
素イオンは磁気フィルタを通り抜けることができ、その
まま第二室１９に移動することができる。

【００４７】すなわち、このようにして第一室１８には
水素分子の励起に適した電子エネルギー分布を持つ高温
プラズマが、第二室１９には励起水素分子の解離性付着
反応を起こすのに適した電子エネルギー分布を持つ低温
プラズマがそれぞれ生成される。そして、第一室１８に
おいて高エネルギー電子との衝突によって生成された振
動励起水素分子が第二室１９で低温電子との衝突によっ
て解離性付着反応を起こし、Ｈ⁻が形成される。

【００４８】また、放電容器１に導入されたアルカリ金
属蒸気は、第１の電極５に付着して電極表面の仕事関数
を下げているため、放電プラズマ中の正水素イオンや中
性水素原子などが第１の電極５と衝突した際にもＨ⁻が
生成される。このようにして第二室１９に生成されたＨ
⁻は、同じ極性を持つ電子とともに引き出し電源２４の
作る電界によって第１の電極５の貫通孔６から引き出さ
れる。

【００４９】さらに、図１に示すように第２の電極７に
埋設された磁石２１によって第１の電極５のビームＢ軸
の上流側面（第２の電極７との間のギャップ）には、磁
力線２２が作られている。この磁場は、第二室１９から
引き出される電子成分の量を抑えるとともに、引き出さ
れたビーム中からＨ⁻のみを選別する働きを有する。

【００５０】すなわち、引き出されたＨ⁻と電子は、こ
の磁界によって軌道変更されるものの、Ｈ⁻は磁界中の
ラーマ半径が大きいため、ほとんど軌道偏向を受けず、
第２の電極７に到達した後、貫通孔９を通り、さらに加
速電源２５の作る電界により加速され、第３の電極８の
貫通孔１０を通ってビームとして引き出される。

【００５１】一方、ラーマ半径の小さい電子は、第１の
電極５と第２の電極７との間のギャップを通過する際に
大きな軌道偏向を受け、取り除かれる。Ｈ⁻は放電プラ
ズマから引き出され、加速される過程で放電容器１から
漏れ出す水素ガス分子と衝突し、脱離電子および中性水
素原子を発生させる。これらの粒子は第２の電極７の貫
通孔９の表面と衝突し、二次電子を発生させるものの、
磁石２６によって第２の電極７の出口側に形成される磁
力線２７で示されるようなビームＢ軸と直交する磁場に
よって軌道が偏向されて捕捉されるため、加速電源２５
の作る加速電界の領域には到達することができない。そ
の結果、加速電子の量を抑え、高い効率と信頼性を有す
る負イオン源が得られる。

【００５２】また、図１に示すように磁石２６を磁石２
０と向かい合う磁極の極性が相互に異なるよう配列して
いるため、両者の間をつなぐ磁力線２８が形成され、そ
の結果、磁石２１および２６のそれ自身で閉じる磁力線
の数が減るため、第１の電極５の上流側上面に作られる
磁場２２および第２の電極７の出口側に生成される加速
電子を抑えるための磁場２７を強める効果も得られる。

【００５３】［第２実施形態］図２は本発明に係る負イ
オン源の第２実施形態の電極部分を示す拡大図である。
なお、前記第１実施形態と同一の部分には同一の符号を
付して説明する。以下の各実施形態も同様である。

【００５４】本実施形態では、第２の電極のビームの入
口部分に、角棒状に形成された第１の磁場形成手段とし
ての複数の磁石２１が埋設され、これらの磁石２１は第
２の電極７の電子トラップ２０の水平方向に対してそれ
ぞれ平行となるように、かつ第２の電極７の水平面に直
角な方向に着磁されるとともに、隣接するものが互いに
異なる極性となるように配列されている。

【００５５】また、本実施形態の負イオン源では、第２
の電極７のビームＢの出口部分に、角棒状に形成された
第２の磁場形成手段としての複数の磁石２６が埋設さ
れ、これらの磁石２６は水平方向に対してそれぞれ平行
となるように、かつ第２の電極７の水平面に直角な方向
に着磁されるとともに、隣接するものが互いに異なる極
性となるように、また磁石２１と向かい合う磁極の極性
が互いに同じになるよう配列されている。

【００５６】上記のような負イオン源における基本動作
を説明する。なお、放電プラズマの生成とビームＢの引
き出しに関する部分については前記第１実施形態と同様
であるので、その説明を省略する。

【００５７】放電プラズマから引き出されたＨ⁻は、加
速される過程で放電容器１から漏れ出す水素ガス分子と
衝突し、脱離電子および中性水素原子を発生させる。こ
れらの粒子は第２の電極７の貫通孔９の表面と衝突し二
次電子を発生させる。

【００５８】本実施形態では、図２に示すように磁石２
６を磁石２１と向かい合う磁極の極性が相互に同じにな
るよう配列しているため、磁石２６によって第２の電極
７の出口側に形成される磁力線２７に加えて、磁力線２
９で示されるような磁場成分が形成される。すなわち、
二次電子は、ビームＢ軸と直交する磁場によって軌道が
偏向されて捕捉されるため、加速電源２５の作る加速電
界の領域には到達することができず、加速電子の量を抑
える効果が得られる。

【００５９】［第３実施形態］図３は本発明に係る負イ
オン源の第３実施形態の電極部分を示す拡大図である。

【００６０】本実施形態では、第２の電極のビームの入
口部分に、角棒状に形成された第１の磁場形成手段とし
ての複数の磁石２１が埋設され、これらの磁石２１は第
２の電極７の電子トラップ２０の水平方向に対してそれ
ぞれ平行となるように、かつ第２の電極７の水平面に直
角な方向に着磁されるとともに、隣接するものが互いに
異なる極性となるように配列されている。

【００６１】また、本実施形態の負イオン源では、第２
の電極７のビームＢの出口側に複数の角棒状の磁石２６
が水平方向にそれぞれ平行となるように、かつ第２の電
極７の水平面に平行な方向に着磁されるとともに、隣接
するものが互いに異なる極性となるよう配列されてい
る。

【００６２】上記のような負イオン源における基本動作
を説明する。なお、放電プラズマの生成とビームＢの引
き出しに関する部分については前記第１実施形態と同様
であるので、その説明を省略する。

【００６３】放電プラズマから引き出されたＨ⁻は、加
速される過程で放電容器１から漏れ出す水素ガス分子と
衝突し、脱離電子および中性水素原子を発生させる。こ
れらの粒子は第２の電極７の貫通孔９の表面と衝突し二
次電子を発生させる。

【００６４】本実施形態では、図３に示すように磁石２
６が水平方向にそれぞれ平行となるように、また第２の
電極７の水平面に平行な方向に着磁されるとともに、隣
接するものが互いに異なる極性となるよう配列されてい
るため、磁力線３０で示されるような磁場成分が形成さ
れる。すなわち、この場合も二次電子は、ビームＢ軸と
直交する磁場によって軌道が偏向されて捕捉されるた
め、加速電源２５の作る加速電界の領域には到達するこ
とができず、加速電子の量を抑える効果が得られる。

【００６５】［第４実施形態］図４は本発明に係る負イ
オン源の第４実施形態の電極部分を示す拡大図である。

【００６６】本実施形態は、第３実施形態で説明した構
成に加え、第２の電極７と第３の電極８との間に他の電
極としての第４の電極３１を設置し、電子抑制電源３２
により第２の電極７に対して第４の電極３１から負の電
位を与えたものである。

【００６７】上記のような負イオン源における基本動作
を説明する。なお、放電プラズマの生成とビームＢの引
き出しに関する部分については前記第１実施形態と同様
であるので、その説明を省略する。

【００６８】放電プラズマから引き出されたＨ⁻は、加
速される過程で放電容器１から漏れ出す水素ガス分子と
衝突し、脱離電子および中性水素原子を発生させる。こ
れらの粒子は第２の電極７の貫通孔９の表面と衝突し二
次電子を発生させる。

【００６９】本実施形態では、図４に示すように磁石２
６によって、ビームＢ軸と直交する磁力線３０が形成さ
れる。この磁場成分によって二次電子の軌道を偏向して
捕捉し加速電源２５の作る加速電界の領域に到達する電
子の量を抑えた上、さらに第４の電極３１により、第２
の電極７の出口部に二次電子の速度を減速させる電位障
壁が形成されているため、二次電子のうち加速電界の領
域に到達するものの量を一段と抑える効果が得られる。

【００７０】なお、本実施形態では、第４の電極３１か
ら第２の電極７に対して負の電位を与えるようにした
が、同電位を与えるようにしてもよい。

【００７１】［第５実施形態］図５は本発明に係る負イ
オン源の第５実施形態の電極部分を示す拡大図である。

【００７２】本実施形態は、第２の電極７と第３の電極
８との間に、第２の磁場形成手段としての磁石３３を埋
設した第４の電極３１を設け、この第４の電極３１へ電
子抑制電源３２によって第２の電極６に対して負の電位
を与えたものである。

【００７３】上記のような負イオン源における基本動作
を説明する。なお、放電プラズマの生成とビームＢの引
き出しに関する部分については前記第１実施形態と同様
であるので、その説明を省略する。

【００７４】放電プラズマから引き出されたＨ⁻は、加
速される過程で放電容器１から漏れ出す水素ガス分子と
衝突し、脱離電子および中性水素原子を発生させる。こ
れらの粒子は第２の電極７の貫通孔９の表面と衝突し二
次電子を発生させる。

【００７５】本実施形態では、図５に示すように磁石３
３によって、ビームＢ軸と直交する磁力線３４が形成さ
れる。この磁場成分によって二次電子の軌道を偏向して
捕捉し加速電源２５の作る加速電界の領域に到達する電
子の量を抑えた上、さらに第４の電極３１により、第２
の電極７の出口部に二次電子の速度を減速させる電位障
壁が形成されているため、二次電子のうち加速電界の領
域に到達するものの量を一段と抑える効果が得られる。

【００７６】なお、本実施形態では、前記第４実施形態
と同様に第４の電極３１から第２の電極６に対して負の
電位を与えるようにしたが、同電位を与えるようにして
もよい。

【００７７】［第６実施形態］図６は本発明に係る負イ
オン源の第６実施形態の電極部分を示す拡大図である。

【００７８】本実施形態では、第２の電極７と第３の電
極８の間に第４の電極３１を設けた上、この第４の電極
３１に紙面に垂直（表面から裏面）な方向に電流を通電
している。

【００７９】上記のような負イオン源における基本動作
を説明する。なお、放電プラズマの生成とビームＢの引
き出しに関する部分については前記第１実施形態と同様
であるので、その説明を省略する。

【００８０】放電プラズマから引き出されたＨ⁻は、加
速される過程で放電容器１から漏れ出す水素ガス分子と
衝突し、脱離電子および中性水素原子を発生させる。こ
れらの粒子は第２の電極７の貫通孔９の表面と衝突し二
次電子を発生させる。

【００８１】本実施形態では、図６に示すように第４の
電極３１に電流を通電することによってビームＢ軸と直
交する磁力線３５が形成される。この磁場成分によって
二次電子の軌道を偏向して捕捉し加速電源２５の作る加
速電界の領域に到達する電子の量を抑える効果が得られ
る。

【００８２】なお、上記実施形態に限らず、第４の電極
３１の表面と平行な方向に電流を通電すれば、ビームＢ
軸と直交する磁力線が形成されるため、上記実施形態と
同様の効果が得られる。

【００８３】［第７実施形態］図７は本発明に係る負イ
オン源の第７実施形態の電極部分を示す拡大図である。

【００８４】本実施形態では、第２の電極７の貫通孔９
には図１３に示すような電子トラップ２０を設けず、ビ
ームＢの進行方向に向かって孔径が大きくなっていくよ
うなテーパ加工を施してテーパ部９ａを形成するととも
に、第２の電極７と第３の電極８との間のビーム出口部
にビームＢの進行方向とは逆向きの突起３６が形成され
た第４の電極３１を設置し、その第４の電極３１から電
子抑制電源３２により第２の電極７に対して負の電位を
印加している。

【００８５】上記のような負イオン源における基本動作
を説明する。なお、放電プラズマの生成とビームＢの引
き出しに関する部分については前記第１実施形態と同様
であるので、その説明を省略する。

【００８６】放電プラズマから引き出されたＨ⁻は、加
速される過程で放電容器１から漏れ出す水素ガス分子と
衝突し、脱離電子および中性水素原子を発生させる。こ
れらの粒子は第２の電極７の貫通孔９の表面と衝突し二
次電子を発生させる。

【００８７】本実施形態では、図７に示すように第４の
電極３１によって第２の電極７の出口部に二次電子の速
度を減速させる電位障壁が形成されるため、二次電子の
うち加速電界の領域に到達するものの量を抑える効果が
得られる。また、電子トラップのもつ働きを第４の電極
３１に持たせているため、第２の電極７の貫通孔９に電
子トラップを設ける必要がなく、第２の電極７の製作を
極めて容易に行うことができることに加え、第４の電極
３１にはビームＢの進行方向とは逆向きに突起３６を形
成しているため、電子トラップに捕捉された二次電子の
加速電界領域への漏洩を抑える効果をさらに顕著にする
ことができる。

【００８８】［第８実施形態］図８は本発明に係る負イ
オン源の第８実施形態の電極部分を示す拡大図である。

【００８９】本実施形態では、第２の電極７に穿設され
た貫通孔９にはビームＢの進行方向に向かって孔径が大
きくなっていくようなテーパ加工を施してテーパ部９ａ
を形成するとともに、ビーム出口部にはビームＢの進行
方向とは逆向きの突起（第１の突起）３７を形成し、さ
らにビームＢの進行方向に向かって孔径が小さくなって
いくようなテーパ加工を施した突起（第２の突起）３８
が形成されている。

【００９０】上記のような負イオン源における基本動作
を説明する。なお、放電プラズマの生成とビームＢの引
き出しに関する部分については前記第１実施形態と同様
であるので、その説明を省略する。

【００９１】放電プラズマから引き出されたＨ⁻は、加
速される過程で放電容器１から漏れ出す水素ガス分子と
衝突し、脱離電子および中性水素原子を発生させる。こ
れらの粒子は第２の電極７の貫通孔９の表面と衝突し二
次電子を発生させる。

【００９２】本実施形態では、図８に示すように突起３
７によって電子トラップに捕捉された二次電子の加速電
界領域への漏洩を抑える効果を一段と顕著にするととも
に、突起３８によって加速電界が第２の電極７に穿設さ
れた貫通孔９の出口部に侵入するのが抑えられ、二次電
子が加速されるのを抑える効果が得られる。

【００９３】［第９実施形態］図９は本発明に係る負イ
オン源の第９実施形態の電極部分を示す拡大図、図１０
は第９実施形態の電極部分を図９の矢印の方向から見た
拡大図である。

【００９４】本実施形態では、第２の電極７に穿設され
た貫通孔９の内面にビームＢ軸の方向に略平行な突起３
９が周方向に所定間隔をおいて８つ形成されている。

【００９５】上記のような負イオン源における基本動作
を説明する。なお、放電プラズマの生成とビームＢの引
き出しに関する部分については前記第１実施形態と同様
であるので、その説明を省略する。

【００９６】放電プラズマから引き出されたＨ⁻は、加
速される過程で放電容器１から漏れ出す水素ガス分子と
衝突し、脱離電子および中性水素原子を発生させる。こ
れらの粒子は第２の電極７の貫通孔９の表面と衝突し二
次電子を発生させる。

【００９７】本実施形態では、図９および図１０に示す
ように第２の電極７の貫通孔９に突起３９が形成されて
いる。第２の電極７の貫通孔９の表面で発生した二次電
子は、第２の電極７に埋設された磁石２１の磁極同士を
結ぶ磁力線４０の周りを図１０に示す二次電子の軌道４
１ａ，４１ｂのようにラーマ運動しながら加速電界領域
に引き込まれていくものの、突起３８によってそのよう
な二次電子のラーマ運動が遮られ、電子が加速領域に引
き込まれるのを抑える効果が得られる。

【００９８】なお、図１０では第２の電極７の貫通孔９
を円周方向に８等分した位置に突起３９が設けられてい
るが、本実施形態はその等分数に限るものではない。

【００９９】［第１０実施形態］図１１は本発明に係る
負イオン源の第１０実施形態の電極部分を示す拡大図で
ある。

【０１００】本実施形態では、第２の電極７に穿設され
た貫通孔９のうち斜線で示した部分が二次電子放出係数
の小さい、例えばグラファイト，ニッケル，モリブデン
の少なくとも一種を含む金属、それ以外の部分が銅で構
成されている。

【０１０１】上記のような負イオン源における基本動作
を説明する。なお、放電プラズマの生成とビームＢの引
き出しに関する部分については前記第１実施形態と同様
であるので、その説明を省略する。

【０１０２】放電プラズマから引き出されたＨ⁻は、加
速される過程で放電容器１から漏れ出す水素ガス分子と
衝突し、脱離電子および中性水素原子を発生させる。こ
れらの粒子は第２の電極７の貫通孔９の表面と衝突し二
次電子を発生させる。

【０１０３】本実施形態では、図１１に示すように銅か
らなる第２の電極７の貫通孔９の部分に、二次電子放出
係数の小さい元素を含む金属を嵌め込んでいるため、第
２の電極７を全て銅で製作した従来のものに比べて二次
電子の発生数が抑えられるとともに、熱伝導のよい銅を
用いることによって第２の電極７に流入する熱負荷を水
冷パイプ２３を介して容易に除去することができる。

【０１０４】また、貫通孔９の表面が荷電粒子などによ
るスパッタリングによって損耗した場合には、この部分
だけを取り替えることができるなど、メンテナンスが容
易になる。

【０１０５】なお、本発明は上記実施形態に限定される
ことなく、種々の変更が可能である。例えば、第４の電
極３１を二次電子放出係数の小さい、例えばグラファイ
ト，ニッケル，モリブデンの少なくとも一種を含む金属
で構成すれば、第１０実施形態と同様の効果を得ること
ができる。

【０１０６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ビ
ーム軸と直交する方向に磁場を形成し、この磁場により
二次電子を捕捉することにより、負イオンとともに引き
出される電子のうち加速される電子の量を抑制すること
が可能で、高い効率と信頼性を有する負イオン源を提供
できるなどの効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る負イオン源の第１実施形態の電極
部分を示す拡大図。

【図２】本発明に係る負イオン源の第２実施形態の電極
部分を示す拡大図。

【図３】本発明に係る負イオン源の第３実施形態の電極
部分を示す拡大図。

【図４】本発明に係る負イオン源の第４実施形態の電極
部分を示す拡大図。

【図５】本発明に係る負イオン源の第５実施形態の電極
部分を示す拡大図。

【図６】本発明に係る負イオン源の第６実施形態の電極
部分を示す拡大図。

【図７】本発明に係る負イオン源の第７実施形態の電極
部分を示す拡大図。

【図８】本発明に係る負イオン源の第８実施形態の電極
部分を示す拡大図。

【図９】本発明に係る負イオン源の第９実施形態の電極
部分を示す拡大図。

【図１０】第９実施形態の電極部分を図９の矢印の方向
から見た拡大図。

【図１１】本発明に係る負イオン源の第１０実施形態の
電極部分を示す拡大図。

【図１２】従来の負イオン源を示す断面図。

【図１３】図１２の電極の部分を示す拡大図。

【符号の説明】

１ 放電容器 ２ 上板 ３ 側壁 ４ 絶縁材 ５ 第１の電極 ６ 貫通孔 ７ 第２の電極 ８ 第３の電極 ９ 貫通孔 ９ａ テーパ部 １０ 貫通孔 １１ フィラメント １２ ガス導入口 １３ アルカリ金属蒸気導入口 １４ 磁石 １５ 磁石 １６ フィルタ磁石 １７ 磁力線 １８ 第一室 １９ 第二室 ２０ 電子トラップ ２１ 磁石（第１の磁場形成手段） ２２ 磁力線 ２３ 水冷パイプ ２４ 引き出し電源 ２５ 加速電源 ２６ 磁石（第２の磁場形成手段） ２７ 磁力線 ２８ 磁力線 ２９ 磁力線 ３０ 磁力線 ３１ 第４の電極（他の電極） ３２ 電子抑制電源 ３３ 磁石（第２の磁場形成手段） ３４ 磁力線 ３５ 磁力線 ３６ 突起 ３７ 突起（第１の突起） ３８ 突起（第２の突起） ３９ 突起 ４０ 磁力線 ４１ａ，４１ｂ 二次電子の軌道

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G085 AA01 BA02 BA05 BA06 BA14 BA15 BA17 BC05 BC06 BC11 BE02 CA16 EA01 EA09 5C030 DD05 DE01 DG01 DG06

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 放電容器と、この放電容器を真空に排気
   する手段と、前記放電容器に放電の原料ガスを供給する
   手段と、前記放電容器内に放電プラズマを生成するため
   の手段と、前記放電プラズマから負イオンを引き出して
   加速するためにビーム引き出し孔がそれぞれ複数穿設さ
   れ、かつビームの進行方向に対して複数段設置された電
   極とを有する負イオン源において、 前記複数段設置された電極のうち、前記ビームの進行方
   向に対して第２の電極のビームの入口部分に設けられ、
   かつ引き出される電子量を抑え電子軌道を偏向させる磁
   場を形成する第１の磁場形成手段と、前記第２の電極の
   ビームの出口部分に設けられ、かつビーム軸と直交する
   方向に磁場を形成する第２の磁場形成手段とを備えたこ
   とを特徴とする負イオン源。
2. 【請求項２】 第２の磁場形成手段は、第２の電極のビ
   ームの出口部分に設けられた電子トラップに、ビーム軸
   と直交する方向に着磁された永久磁石を埋設し、この永
   久磁石にて磁場を形成したことを特徴とする請求項１記
   載の負イオン源。
3. 【請求項３】 第２の電極のビームの進行方向下流側
   に、第２の電極に対して同電位かあるいは負の電位を有
   する他の電極を設置したことを特徴とする請求項１記載
   の負イオン源。
4. 【請求項４】 第２の磁場形成手段は、第２の電極と第
   ３の電極との間に設けた他の電極の内部に埋設した永久
   磁石にて磁場を形成したことを特徴とする請求項１また
   は３のいずれかに記載の負イオン源。
5. 【請求項５】 第２の磁場形成手段は、他の電極に電流
   を流して磁場を形成したことを特徴とする請求項１また
   は３のいずれかに記載の負イオン源。
6. 【請求項６】 放電容器と、この放電容器を真空に排気
   する手段と、前記放電容器に放電の原料ガスを供給する
   手段と、前記放電容器内に放電プラズマを生成するため
   の手段と、前記放電プラズマから負イオンを引き出して
   加速するためにビーム引き出し孔がそれぞれ複数穿設さ
   れ、かつビームの進行方向に対して複数段設置された電
   極とを有する負イオン源において、 前記複数段設置された電極のうち、前記ビームの進行方
   向に対して第２の電極のビームの入口部分に設けられ、
   かつ引き出される電子量を抑え電子軌道を偏向させる磁
   場を形成する磁場形成手段と、前記第２の電極に穿設さ
   れたビーム引き出し孔と、このビーム引き出し孔にビー
   ムの進行方向に向かって孔径が大きくなるように形成さ
   れたテーパ部と、第２の電極のビームの進行方向下流側
   に設置された他の電極と、この他の電極にビームの進行
   方向と逆向きに形成された突起とを備えたことを特徴と
   する負イオン源。
7. 【請求項７】 放電容器と、この放電容器を真空に排気
   する手段と、前記放電容器に放電の原料ガスを供給する
   手段と、前記放電容器内に放電プラズマを生成するため
   の手段と、前記放電プラズマから負イオンを引き出して
   加速するためにビーム引き出し孔がそれぞれ複数穿設さ
   れ、かつビームの進行方向に対して複数段設置された電
   極とを有する負イオン源において、 前記複数段設置された電極のうち、前記ビームの進行方
   向に対して第２の電極のビームの入口部分に設けられ、
   かつ引き出される電子量を抑え電子軌道を偏向させる磁
   場を形成する磁場形成手段と、前記第２の電極に穿設さ
   れたビーム引き出し孔と、このビーム引き出し孔にビー
   ムの進行方向に向かって孔径が大きくなるように形成さ
   れたテーパ部と、前記第２の電極のビームの出口部分に
   ビームの進行方向と逆向きに形成された第１の突起と、
   前記第２の電極のビームの出口部分にビームの進行方向
   に向かって孔径が小さくなるように形成された第２の突
   起とを備えたことを特徴とする負イオン源。
8. 【請求項８】 放電容器と、この放電容器を真空に排気
   する手段と、前記放電容器に放電の原料ガスを供給する
   手段と、前記放電容器内に放電プラズマを生成するため
   の手段と、前記放電プラズマから負イオンを引き出して
   加速するためにビーム引き出し孔がそれぞれ複数穿設さ
   れ、かつビームの進行方向に対して複数段設置された電
   極とを有する負イオン源において、 前記複数段設置された電極のうち、前記ビームの進行方
   向に対して第２の電極のビームの入口部分に設けられ、
   かつ引き出される電子量を抑え電子軌道を偏向させる磁
   場を形成する磁場形成手段と、前記第２の電極に穿設さ
   れたビーム引き出し孔と、このビーム引き出し孔の内面
   にビーム軸の方向に略平行に形成された突起とを備えた
   ことを特徴とする負イオン源。
9. 【請求項９】 放電容器と、この放電容器を真空に排気
   する手段と、前記放電容器に放電の原料ガスを供給する
   手段と、前記放電容器内に放電プラズマを生成するため
   の手段と、前記放電プラズマから負イオンを引き出して
   加速するためにビーム引き出し孔がそれぞれ複数穿設さ
   れ、かつビームの進行方向に対して複数段設置された電
   極とを有する負イオン源において、 前記複数段設置された電極のうち、前記ビームの進行方
   向に対して第２の電極のビームの入口部分に設けられ、
   かつ引き出される電子量を抑え電子軌道を偏向させる磁
   場を形成する磁場形成手段と、前記第２の電極に穿設さ
   れたビーム引き出し孔とを有し、このビーム引き出し孔
   の部分が二次電子放出係数の小さいグラファイト，ニッ
   ケル，モリブデンの少なくとも一種から構成されること
   を特徴とする負イオン源。
10. 【請求項１０】 他の電極は、二次電子放出係数の小さ
    いグラファイト，ニッケル，モリブデンの少なくとも一
    種から構成されることを特徴とする請求項３ないし６の
    いずれかに記載の負イオン源。