JP2007123270A - イオン発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱陰極を電子放出源として利用する場合、電子の放出が不安定で、該熱陰極が損耗して寿命が短くなるという課題を解決する。また、イオン銃のコストを低くし、熱陰極を電子放出源とするイオン銃の構成が複雑であるという課題を解決する。
【解決手段】発明に係るイオン発生装置１０は、容器１１と、陰極装置１６と、陽極電極１４と、を含む。容器は、電子進入口１５を有する第一端部１１５と、第一端部の反対側の電子排出口１３を有する第二端部１１３と、第一端部と第二端部との間に設置されてガス吸入口１７を有する本体と、を備える。陰極装置は、電子進入口に対向して設置され、伝導基材と少なくとも一つのエミッタとを備える。陽極電極は容器の内部に設置され、環状又は筒状に形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、イオン発生装置に関し、特に高効率のイオン発生装置に関する。

１９６９年に、Ａ．Ｈ．Ｍｃｌｌｒａｉｔｈは、サドルフィールド型のイオン銃について、サドル形の静電場において繰返して移動する電子を利用してガス分子を電気的に分離する理論を発表した。１９７２年に、Ａ．Ｈ．Ｍｃｌｌｒａｉｔｈは初めてサドルフィールド型のイオン銃を製造した。その後、Ｊ．Ｆｒａｎｋｓ及びＡ．Ｍ．Ｇｈａｎｄｅｒは、サドルフィールド型のイオン銃について研究を進めた。

現在、広く利用されている熱陰極イオン銃は、熱陰極を電子放出源として利用し、該熱陰極からの電子をガス分子と衝突させ、ガスをプラズマ化した後、グリッド電極によってイオン束を形成する。しかし、前記熱陰極を電子放出源として利用する場合、電子の放出が不安定で、該熱陰極が損耗して寿命が短くなるという課題がある。前記熱陰極は一般的に高純度の黒鉛またはタングステンなどの材料からなるので、イオン銃のコストは高くなる。また、前記熱陰極が作動する場合に多くの熱が生じるので、イオン銃の表面温度を低減するために、水冷装置を別に設置しなければならない。従って、前記熱陰極を電子放出源とするイオン銃は、構成が複雑であるという課題もある。

本発明に係るイオン発生装置は、容器と、陰極装置と、陽極電極と、を含む。前記容器は、電子進入口を有する第一端部と、該第一端部の反対側の電子排出口を有する第二端部と、前記第一端部と前記第二端部との間に設置してガス吸入口を有する本体と、を備える。前記陰極装置は、前記電子進入口に対向して設置され、伝導基材と少なくとも一つのエミッタとを備える。前記陽極電極は前記容器の内部に設置され、環状又は筒状に形成される。

前記陰極装置と前記電子進入口との間には、グリッド電極が設置される。

前記陰極電極は二次電子放出源を含む。少なくとも一つのエミッタは前記二次電子放出源に対向して設置される。

前記陽極電極の中心軸は前記電子進入口の中心軸から外れる。

前記容器の前記第二端部の手前に開口レンズが設置される。

前記二次電子放出源には複数の二次電子放出チップが突出して設置される。

従来技術と比べて、本発明に係るイオン発生装置は構造が簡単で、コストが低くなる。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について詳しく説明する。

（実施例１）
図１及び図２を参照すると、本実施例に係るイオン発生装置１０は、真空容器１１と、陽極電極１４と、陰極装置１６と、を含む。前記陽極電極１４は前記真空容器１１の壁と電気的に絶縁されるように前記真空容器１１内部に収容される。前記陰極装置１６は前記真空容器１１の外部に設置される。

前記真空容器１１は第一端部１１５と、該第一端部１１５の反対側の第二端部１１３と、前記第一端部１１５と前記第二端部１１３との間に設置される本体１１１と、を含む。前記第一端部１１５には電子進入口１５が形成される。前記第二端部１１３には電子排出口１３が形成される。前記本体１１１には、イオン化が可能なガスを吸入するためのガス吸入口１７が形成される。前記第一端部１１５と、前記第二端部１１３と、前記本体１１１とによって、真空チェンバ１１０が囲まれる。

本実施例において、前記真空容器１１は直径が２４ｍｍ〜５０ｍｍの筒状に構成される。前記真空容器１１は、モリブデン、鉄、チタニウムなどのいずれか一種からなる。前記電子進入口１５は直径が１ｍｍで、その中心軸が前記真空容器１１の中心軸と同一でないように設置される。前記電子排出口１３は直径が４ｍｍで、その中心軸が前記真空容器１１の中心軸と同一であるように設置される。前記ガス吸入口１７を前記真空容器１１の前記第一端部１１５の近くに設置することにより、前記ガス吸入口１７からのイオン化が可能なガス１７０のガス分子を前記真空容器１１内に放出された電子と効率的に衝突させる。前記イオン化が可能なガス１７０は、アルゴン、水素、ヘリウム、キセノンのいずれか一種、又はそれらの混合物である。

図１及び図２を参照すると、前記陽極電極１４は環状に構成され、中心にスルーホール１４０が形成される。電子及びイオンは前記スルーホール１４０を通過することができる。前記陽極電極１４は、前記真空容器１１と前記電子排出口１３と同一の中心軸を有する。従って、前記陰極電極１６からの電子が前記陽極１４のスルーホール１４０の中心軸から離れるように前記真空容器１１内に放出されることにより、前記電子は前記真空容器１１内で長時間に移動してガス分子と十分に衝突し、イオン発生の効率を高める。さらに、前記電子が元のパスへ戻ったり、又は前記電子吸入口１１５から排出される可能性を低減させることができる。

前記電子の移動軌跡を長くし、前記イオン発生装置の作業効率を高めるために、前記陽極電極１４は金属リングであることが好ましい。前記陽極電極１４の壁の厚さは、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度に設定される。前記スルーホール１４０の直径は８ｍｍ程度に設定される。前記陽極電極１４は前記真空容器１１の前記電子進入口１５から２５ｍｍ離れるように設置される。

その代わりに、前記陽極電極１４は筒状のような形状に形成されることができる。また、前記陽極電極１４の断面は例えば三角形、長方形、多角形などに形成してもよい。

前記陰極装置１６は伝導基材１６０と、少なくとも一つのエミッタ１６１と、を含む。前記エミッタ１６１から放出する電子を前記真空容器１１内に進入させて前記ガス１７０をイオン化させるために、前記エミッタ１６１は前記電子進入口１５に対向して設置される。前記エミッタ１６１は、カーボンナノチューブ、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ，ＤＬＣ）、シリコンのいずれか一種からなる。

前記陰極装置１６からの電子を前記電子進入口１５から前記真空容器１１内に導入して進入させるために、前記陰極装置１６と前記電子進入口１５との間にグリッド電極１８を設置する。前記グリッド電極１８には、前記電子進入口１５に対向してグリッド開口１８０が設置される。前記グリッド開口１８０は前記電子進入口１５と同一の中心軸を有し、前記グリッド開口１８０の直径は前記電子進入口１５より大きくなるように設置される。従って、前記陰極装置１６からの電子は、十分に前記真空容器１１内に放出されることができる。

さらに、前記イオン発生装置１０は開口レンズ１２を含む。前記電子排出口１３からの電子を集束するために、前記開口レンズ１２は、前記真空容器１１の前記第二端部１１３の手前に設置される。前記開口レンズ１２は電極１２１、１２２、１２３を備える。前記電極１２１、１２２、１２３はそれぞれ孔１２１１、１２２１、１２３１を有する。前記孔１２１１、１２２１、１２３１はそれぞれ前記電子排出口１３と同一の中心軸を有する。

前記陰極装置１６から放出される複数の電子は、前記グリッド電極１８によって前記電子進入口１５を通して前記真空チェンバ１１０内に排出される。

前記真空容器１１と前記陽極電極１４との電位の違いにより、前記真空チェンバ１１０内に、図３に示すようなサドル形の電界が形成される。前記電子は、例えば図４にその移動軌跡を示すように、前記サドル形の電界において一定の距離移動して、前記イオン化が可能なガス１７０の分子と衝突して、前記ガス１７０の分子をイオン化させ、イオンを発生する。実際には、前記電子の移動時間を延長することにより、前記ガス１７０の分子と前記電子との衝突の可能性を高める。従って、前記イオン発生装置はイオン発生の効率を高める。

本実施例において、前記陰極装置１６に１０ボルト、前記グリッド電極１８に数十ボルト、前記陽極電極１４に５００〜１０００ボルトの電圧を印加する。前記真空容器１１は接地する。例えば前記陰極電極１６、前記グリッド電極１８、前記陽極１４の印加電圧は、勿論、前記エミッタ１６１の電子放出性能、前記電極１４、１６、１８の距離、前記イオン発生装置１０のサイズなどによって調整することができる。

（実施例２）
図５を参照すると、本実施例に係るイオン発生装置１０が実施例１と異なる点は、陰極電極２６を有することである。本実施例に係る陰極電極２６は伝導基材１６０と、少なくとも一つのエミッタ１６１と、平板型の二次電子放出源２６２と、を含む。前記エミッタ１６１は前記二次電子放出源２６２に対向して、前記伝導基材１６０の上方に設置される。前記二次電子放出源２６２の印加電圧は前記エミッタ１６１の印加電圧より大きいように設置される。実際には、前記エミッタ１６１からの電子は、前記二次電子放出源２６２に衝突してより多くの電子が発生する。前記電子は前記電子進入口１５から前記真空容器１１内に進入する。さらに、前記二次電子放出源２６２は銅又は白金からなる。

なお、前記伝導基材１６０はエミッタ１６１を有する。前記エミッタ１６１には貫通孔１６５が形成される。前記エミッタ１６１から放出する電子及び前記二次電子放出源２６２で生じる電子は、前記貫通孔１６５を通して前記真空容器１１に進入する。前記貫通孔１６５は前記グリッド開口１８０と前記電子進入口１５と同一の中心軸を有し、前記グリッド開口１８０と前記電子進入口１５と対向して設置される。なお、本実施例に係る前記伝導基材１６０は複数の貫通孔１６５を有する。本実施例では複数の伝導基材１６０を備える。

（実施例３）
図６を参照すると、本実施例に係るイオン発生装置１０が実施例２と異なる点は、陰極電極３６の構成である。前記陰極電極３６は二次電子放出源３６２を有する。前記二次電子放出源３６２には、前記伝導基材１６０の貫通孔１６５及び／又は前記真空容器１１の前記電子進入口１５に対向して複数の二次電子放出チップ３６３が形成される。前記二次電子放出チップ３６３は前記二次電子放出源３６２に突出して設置される。

その代わりに、前記二次電子放出チップ３６３は伝導層に堆積して形成させることができる。

本発明の実施例１に係るイオン発生装置の断面図である。 本発明の実施例１に係るイオン発生装置を上方から見た断面図である。 本発明の実施例１に係るイオン発生装置に生じる電界の分布を示す図である。 本発明の実施例１に係るイオン発生装置内の電子の移動軌跡を示す図である。 本発明の実施例２に係るイオン発生装置の断面図である。 本発明の実施例３に係るイオン発生装置の断面図である。

符号の説明

１０ イオン発生装置
１１ 真空容器
１１０ 真空チェンバ
１１１ 本体
１１３ 第二端部
１１５ 第一端部
１２ 開口レンズ
１２１，１２２，１２３ 電極
１２１１，１２２１，１２３１ 貫通孔
１３ 電子放出口
１４ 陽極電極
１５ 電子進入口
１６，２６，３６ 陰極電極
１６０ 伝導基材
１６１ エミッタ
１７ ガス吸入口
１７０ ガス
１８ グリッド電極
１８０ グリッド開口
２６２，３６２ 二次電子放出源
３６３ 二次電子放出チップ

Claims (6)

1. 電子進入口を有する第一端部と、該第一端部の反対側の電子排出口を有する第二端部と、前記第一端部と前記第二端部との間に設置されてガス吸入口を有する本体と、を備える容器と、
   前記電子進入口に対向して設置され、伝導基材と少なくとも一つのエミッタとを備える陰極装置と、
   前記容器の内部に設置され、環状又は筒状に形成される陽極電極と、
   を含むことを特徴とするイオン発生装置。
2. 前記陰極装置と前記電子進入口との間にグリッド電極が設置されることを特徴とする、請求項１に記載のイオン発生装置。
3. 前記陰極電極は二次電子放出源を含み、
   前記少なくとも一つのエミッタは前記二次電子放出源に対向して設置されることを特徴とする、請求項１に記載のイオン発生装置。
4. 前記陽極電極の中心軸は前記電子進入口の中心軸から外れることを特徴とする、請求項１に記載のイオン発生装置。
5. 前記容器の前記第二端部の手前に開口レンズが設置されることを特徴とする、請求項１に記載のイオン発生装置。
6. 前記二次電子放出源には複数の二次電子放出チップが突出して設置されることを特徴とする、請求項１に記載のイオン発生装置。

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