JP2001118524A - イオン源用加速管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】イオン源用加速管の内部で負イオンが残留ガス
と衝突することにより生じた正イオンがシールド電極に
流入して、シールド電極と引出電極との間の電圧を上昇
させるのを防いで、両電極間で絶縁破壊が生じるのを防
止すること。 【解決手段】イオン源１により生成された負イオンを、
イオン源１と引出電極５との間、及び引出電極５と加速
電極８との間にそれぞれ印加した加速電圧により加速し
てイオンビームを得るイオン源用加速管２において、引
出電極５とシールド電極６との間に接続された分圧用抵
抗Ｒ2 の両端にツェナーダイオードＺＤを接続して、分
圧用抵抗Ｒ2 の両端の電圧を引出電極５とシールド電極
６との間の絶縁耐力以下に制限する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、イオンビーム応用
機器に用いるイオン源用加速管に関する。

【０００２】

【従来の技術】イオンビーム応用機器においては、イオ
ン源のイオン放出孔の前方に配置した引出電極とイオン
源との間に加速電圧を印加して、イオン源から引き出し
たイオンを加速することにより所定のエネルギを有する
イオンを得た後、該イオンをタンデム加速器等により更
に加速して所望のエネルギを有するイオンビームを得る
ようにしている。

【０００３】イオン源から引出したイオンに比較的低い
エネルギを持たせればよい場合には、上記のように、イ
オン源の前方に配置した引出電極に加速電圧を印加して
１段の加速を行うだけで特に問題はないが、イオン源か
ら高エネルギのイオンを得る場合、例えば２００ＫｅＶ
程度のエネルギを有するイオンを得る場合には、引出電
極とイオン源との間に印加した加速電圧による１段の加
速でイオンを加速しようとすると、高い加速電圧のため
に絶縁破壊が生じたり、イオンビームの質が低下したり
するという問題が生じる。

【０００４】そのため、イオン源から引出したイオンに
高いエネルギを持たせる場合には、イオン源から放出さ
れるイオンの移動方向の前方に配置された引出電極と、
引出電極を通過したイオンの移動方向の前方に配置され
た加速電極と、加速電極を囲むように配置されたシール
ド電極と、加速電極とイオン源との間に印加される加速
電圧を分圧してイオン源と引出電極との間、引出し電極
とシールド電極との間、及びシールド電極と加速電極と
の間にそれぞれ印加する抵抗分圧回路とを備えて、イオ
ンを多段階に加速するようにしたイオン源用加速管が用
いられる。

【０００５】上記のようなイオン源用加速管を用いる
と、加速電圧がイオン源と引出電極との間、引出し電極
とシールド電極との間、及びシールド電極と加速電極と
の間で分担されるため、加速電圧が高い場合に加速管内
で絶縁破壊が生じるおそれをなくすことができ、またイ
オンビームの質が低下するのを防ぐことができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】イオン源として、ガス
を用いて生成したプラズマを利用してイオンを発生させ
るものを用いる場合、例えば、ガスを用いて発生させた
プラズマ中のイオンをターゲットに衝突させることによ
り二次イオンを放出させる二次イオン放出形のイオン源
を用いる場合に、上記のような多段の加速管を用いる
と、以下に示すような問題が生じることが明らかになっ
た。

【０００７】即ち、プラズマガスを用いてイオンを生成
するイオン源を用いる場合には、プラズマ生成用のガス
を加速管内を通して排気することになるため、加速管の
内部の真空度が低下し、プラズマを生成するために用い
たガスが加速管内に残留するのを避けられない。

【０００８】そのため、イオン源から引出されたイオン
が加速管内の残留ガスの分子に衝突してイオンと電子と
が発生し、これらのイオン及び電子は周囲の電界により
加速されて、引出電極またはシールド電極に流入する。
引出電極またはシールド電極に流入したイオン及び電子
は、引出電極とシールド電極との間に接続された分圧用
抵抗を通して流れるため、該分圧用抵抗の両端の電圧を
上昇させる。そのため、引出電極とシールド電圧との間
に印加される分担電圧が上昇し、該電圧が許容値を超え
て絶縁破壊が生じるおそれがあった。

【０００９】本発明の目的は、引出電極とシールド電極
との間に印加される電圧が過度に上昇して絶縁破壊が生
じるのを防止したイオン源用加速管を提供することにあ
る。

【課題を解決するための手段】本発明は、ガスを用いて
生成したプラズマガスを利用してイオンを発生させるイ
オン源から放出されるイオンの移動方向の前方に配置さ
れた引出電極と、該引出電極を通過したイオンの移動方
向の前方に配置された加速電極と、加速電極を囲むよう
に配置されたシールド電極と、加速電極とイオン源との
間に印加される加速電圧を分圧してイオン源と引出電極
との間、引出し電極とシールド電極との間、及びシール
ド電極と加速電極との間にそれぞれ印加する抵抗分圧回
路とを備えたイオン源用加速管に係わるものである。

【００１０】本発明においては、引出電極とシールド電
極との間に接続された分圧用抵抗に対して並列にツェナ
ーダイオードを接続する。このツェナーダイオードの降
伏電圧は、引出電極とシールド電極との間に印加される
べき正規の分担電圧以上で、かつ引出電極とシールド電
極との間の絶縁耐力を超えない値に選定する。

【００１１】上記ツェナーダイオードは引出電極とシー
ルド電極との間に接続された分圧用抵抗の両端に直接接
続してもよく、該分圧用抵抗の両端に他の抵抗を介して
並列接続するようにしもよい。

【００１２】上記のように構成すると、加速管内の残留
ガスにイオンが衝突することにより生成されたイオン及
び電子が引出電極またはシールド電極に流入することに
より分圧用抵抗の両端に生じる電圧降下によって、引出
電極とシールド電極との間に印加される電圧が過度に上
昇するのを防ぐことができるため、引出電極とシールド
電極との間で絶縁破壊が生じるおそれをなくすことがで
きる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係わるイオン源
用加速管の構成例を示したもので、同図において、１は
プラズマガス中のイオンをターゲットに衝突させること
により二次負イオンを放出させる公知の二次イオン放出
形の負イオン源で、その内部構造の図示は省略されてい
る。

【００１４】２はイオン源１から得られる負イオンを加
速するイオン源用加速管で、この加速管は、その一端側
及び他端側にそれぞれ配置された板状の第１の端部電極
３及び第２の端部電極４と、第１の端部電極３と第２の
端部電極４との間に所定の間隔を持って順に並べて配置
された引出電極５、シールド電極６及び中間電極７と、
シールド電極６の内側に配置されて第２の端部電極４に
接続された加速電極８と、第１の端部電極３と引出電極
５との間、引出電極５とシールド電極６との間、シール
ド電極６と中間電極７との間、及び中間電極７と第２の
端部電極との間にそれぞれ介在するように配置された第
１ないし第４の絶縁フランジ９ないし１２とを備えてい
る。絶縁フランジ９ないし１２は、内径及び外径が等し
い筒状部９ａないし１２ａと、筒状部９ａないし１２ａ
の外周部から径方向の外側に突出した鍔部９ｂないし１
２ｂとからなっていて、それぞれの筒状部９ａないし１
２ａがそれぞれの両側の電極に気密に接続されている。

【００１５】第１の端部電極３及び第２の端部電極４
は、円板状に形成されていて、それぞれの中央部には互
いに整合するビーム通過孔３ａ及び４ａが形成されてい
る。第１の端部電極３はイオン源１に接続され、イオン
源１から発生した負イオンがビーム通過孔３ａを通して
加速管内に導入されるようになっている。

【００１６】引出電極５は、絶縁フランジ９及び１０の
筒状部９ａ及び１０ａの間に介在する板状のフランジ部
５ａと、第１の端部電極３のビーム通過孔３ａと整合す
るように設けられた筒状部５ｂとを有して、筒状部５ｂ
が端部電極３に所定の間隙を介して対向配置されてい
る。

【００１７】加速電極８は、引出電極５の筒状部５ｂと
軸線を共有するように設けられた筒状の電極本体８ａ
と、中間電極７の内側を該中間電極７と同心的に伸びる
管状部８ｂとからなっていて、管状部８ｂの端部が第２
の端部電極４のビーム通過孔４ａの周辺部に接続されて
いる。

【００１８】シールド電極６は、絶縁フランジ１０及び
１１の筒状部１０ａ及び１１ａの間に介在するフランジ
部６ａと、絶縁フランジ１０及び１１の筒状部１０ａ及
び１１ａの内側で加速電極８を外側から同心的に取り囲
むように設けられた円筒状の電極部６ｂとからなってい
る。

【００１９】中間電極７は環状に形成されていて、その
内周部が絶縁フランジ１１及び１２の筒状部１１ａ及び
１２ａの内周面と同一面上に位置するように配置されて
いる。この中間電極７は、加速電極８の管状部８ｂの外
側の電界を緩和するために設けられている。

【００２０】第１の端部電極３と引出電極５との間、引
出電極５とシールド電極６との間、シールド電極６と中
間電極７との間、及び中間電極７と第２の端部電極４と
の間にそれぞれ分圧用抵抗Ｒ1 ないしＲ4 が接続され、
引出電極５とシールド電極６との間に接続された分圧用
抵抗Ｒ2 の両端に高電圧ツェナーダイオードＺＤが並列
接続されている。ツェナーダイオードＺＤは、そのカソ
ードを分圧用抵抗Ｒ2の高電位側の端子側に向けた状態
で設けられている。ツェナーダイオードＺＤの降伏電圧
は、引出電極５とシールド電極６との間に印加されるべ
き正規の分担電圧以上で、かつ引出電極５とシールド電
極６との間の絶縁耐力を超えない値に設定されている。

【００２１】上記の加速管２の第２の端部電極４に設け
られたビーム通過孔４ａは、質量分析器等を通して加速
器の入口に接続され、図示しない真空ポンプにより、加
速管２内が減圧される。

【００２２】端部電極４は接地され、該端部電極４及び
端部電極３に加速電源１３の正極側出力端子及び負極側
出力端子がそれぞれ接続され、該加速電源１３から加速
電極８とイオン源１との間に加速電圧が印加されてい
る。互いに直列に接続された分圧用抵抗Ｒ1 ないしＲ4
により、加速電極とイオン源との間に印加される加速電
圧を分圧してイオン源１と引出電極５との間、引出し電
極５とシールド電極６との間、及びシールド電極６と加
速電極８との間にそれぞれ印加する抵抗分圧回路が構成
されている。

【００２３】シールド電極６は、絶縁フランジ１０及び
１１が汚損されるのを防ぐ目的で設けられている。

【００２４】上記の加速管において、加速電源１３が出
力する加速電圧を２００ＫＶとする場合には、例えば、
第１の端部電極３と引出電極５との間に２０ＫＶを印加
し、引出電極５とシールド電極６との間、シールド電極
６と中間電極７との間、及び中間電極７と第２の端部電
極４との間にそれぞれ６０ＫＶずつ印加するように、分
圧抵抗Ｒ1 〜Ｒ4 の抵抗値を設定する。

【００２５】上記の加速管２においては、イオン源１か
ら放出された負イオンがビーム通過孔３ａを通して引出
電極５と端部電極３との間の空間に導入される。この空
間に導入された負イオンは端部電極３と引出電極５との
間の電界からエネルギを得て加速された後、更に引出電
極５と加速電極８との間の電界により加速されてビーム
通過孔４ａから図示しない加速器側に導出される。

【００２６】イオン源１として、プラズマガスを用いて
イオンを生成するタイプのものを用いる場合には、プラ
ズマ生成用のガスを加速管２内を通して排気するため、
加速管２の内部の真空度が低下し、プラズマを生成する
ために用いたガスが加速管２内に残留するのを避けられ
ない。

【００２７】そのため、イオン源１から引出されたイオ
ンが加速管２内の残留ガスの分子に衝突することにより
正イオンが生成される。生成された正イオンの大部分は
引出電極５に流入するが、一部はシールド電極６に流入
し、シールド電極６から分圧抵抗Ｒ2 を通して電流が流
れることになる。そのため引出電極５とシールド電極６
との間に接続された分圧抵抗Ｒ2 の両端の電圧は該分圧
抵抗の分担電圧６０ＫＶよりも上昇するが、ツェナーダ
イオードＺＤの降伏電圧を引出電極５とシールド電極６
との間の絶縁耐力よりも十分に低い値、例えば、７０Ｋ
Ｖに選定しておけば、分圧抵抗Ｒ2 の両端の電圧を７０
ＫＶ以下に制限することができる。従って、引出電極５
とシールド電極６との間に印加される電圧が両電極間の
絶縁耐力を超えるのを防ぐことができ、引出電極５とシ
ールド電極６との間で絶縁破壊が生じるおそれをなくす
ことができる。

【００２８】図１に示した例では、分圧用抵抗Ｒ2 の両
端に直接ツェナーダイオードＺＤを並列接続している
が、ツェナーダイオードＺＤの降伏電圧を調整するため
にツェナーダイオードＺＤに適宜の抵抗値を有する抵抗
器を直列接続して、該抵抗器を通してツェナーダイオー
ドＺＤを分圧用抵抗Ｒ2 に対して並列に接続するように
してもよい。

【００２９】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、加速管
内の残留ガスにイオンが衝突することにより生成された
イオンまたは電子が引出電極またはシールド電極に流入
することにより、引出電極とシールド電極との間に接続
された分圧用抵抗の両端に生じる電圧降下によって、引
出電極とシールド電極との間に印加される電圧が過度に
上昇するのを防ぐことができるため、引出電極とシール
ド電極との間で絶縁破壊が生じたり、放電が生じたりす
るおそれをなくして、安定な運転を行うことができる利
点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる加速管の構成例を概略的に示し
た縦断面図である。

【符号の説明】

１…イオン源、２…イオン源用加速管、３…第１の端部
電極、４…第２の端部電極、５…引出電極、６…シール
ド電極、７…中間電極、８…加速電極、１３…加速電
源、Ｒ1 〜Ｒ4 …分圧用抵抗。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスを用いて生成したプラズマガスを利
   用してイオンを発生させるイオン源から放出されるイオ
   ンの移動方向の前方に配置された引出電極と、前記引出
   電極を通過したイオンの移動方向の前方に配置された加
   速電極と、前記加速電極を囲むように配置されたシール
   ド電極と、前記加速電極とイオン源との間に印加される
   加速電圧を分圧して前記イオン源と前記引出電極との
   間、前記引出し電極とシールド電極との間、及び前記シ
   ールド電極と加速電極との間にそれぞれ印加する抵抗分
   圧回路とを備えたイオン源用加速管において、 前記引出電極とシールド電極との間に接続された分圧用
   抵抗の両端にツェナーダイオードが並列接続され、 前記ツェナーダイオードの降伏電圧は、前記引出電極と
   シールド電極との間に印加されるべき正規の分担電圧以
   上で、かつ前記引出電極とシールド電極との間の絶縁耐
   力を超えない値に選定されていることを特徴とするイオ
   ン源用加速管。