JP2009158365A - カソード保持構造およびそれを備えるイオン源 - Google Patents

Abstract

【課題】 組立てが容易であり、カソードの加熱効率を高めることができ、振動が加わってもカソードの少なくとも下方への位置ずれや脱落を防止することができ、かつねじ加工を使わずに済み、構造が簡単なカソード保持構造を提供する。
【解決手段】 このカソード保持構造は、熱電子を放出させるための前部２２、その背後の後部２４およびその側壁の周囲に形成された溝２６を有しているカソード２０と、筒状のものであってその先端部付近内にカソード２０の後部２４が通る貫通穴３４を有する棚部３２を備えているカソードホルダー３０と、平面形状がＣ形、断面形状が円形をしているロックワイヤ４０とを備えていて、カソード２０の後部２４を貫通穴３４に挿通し、溝２６にロックワイヤ４０を嵌めて、ロックワイヤ４０でカソード２０をカソードホルダー３０の棚部３２に係止している。
【選択図】 図２

Description

この発明は、例えば傍熱陰極型のイオン源等に用いられるものであって、筒状のカソードホルダーにカソードを保持するカソード保持構造およびそれを備える傍熱陰極型のイオン源に関する。

筒状のカソードホルダーの先端部内に、カソードを圧入嵌合（より具体的には締まりばめ）して保持するカソード保持構造を採用した傍熱陰極型のイオン源が特許文献１に記載されている。このカソード保持構造をカソード保持構造Ａと呼ぶことにする。

上記カソード保持構造Ａは、カソードをカソードホルダーに圧入嵌合（締まりばめ）した構造であるために、カソードの取り付けおよび取り外しが難しく、従って組立てが難しいという課題がある。

また、カソードをカソードホルダーに圧入嵌合した構造であるために、カソードとカソードホルダー間の接触面積が比較的大きく、その分、カソードからカソードホルダーへの伝導による熱損失（伝熱損失）が大きくて、フィラメントによるカソードの加熱効率が低いという課題もある。

上記組立てが難しい等の課題を解決することができるカソード保持構造の一例として、ねじ式のカソード保持構造を採用した傍熱陰極型のイオン源が特許文献２に記載されている。このカソード保持構造をカソード保持構造Ｂと呼ぶことにする。

上記カソード保持構造Ｂを図１１を参照して説明する。

このカソード保持構造Ｂは、熱電子を放出（例えばイオン源のプラズマ生成容器内へ放出）させるための前部９２およびその背後にある雄ねじ部９４を有するカソード９０の雄ねじ部９４を、筒状のカソードホルダー３０の先端部付近内に設けられた棚部３２の貫通穴３４に通して、雄ねじ部９４にナット１００を螺合させることによって、カソード９０を棚部３２に着脱可能に保持した構造をしている。

イオン源に対しては、例えば、カソードホルダー３０の先端部が鉛直方向Ｇの下に向くように配置される。

カソードホルダー３０内には、カソード９０をその後部の雄ねじ部９４から加熱するフィラメント５０が、雄ねじ部９４との間に隙間８２をあけて設けられる。

上記カソード保持構造Ｂは、ねじ式であるために、上記カソード保持構造Ａに比べて、組立てが容易である。

また、ナット１００を完全に締め付けると、カソードホルダー３０の棚部３２を、ナット１００とカソード９０の前部９２の両方で上下から挟むので接触面積が大きくなるけれども、完全に締め付けずに少し（例えば１／４回転程度）緩めておくと、棚部３２と前部９２の上面との間に隙間８４が生じるので、そのぶん接触面積が小さくなり、カソード９０からカソードホルダー３０への伝熱損失を低減して、フィラメント５０によるカソード９０の加熱効率を高めることができる。

特開平１０−１９９４３０号公報（段落００１５、００４５、００６９、図７） 特許第３７５８６６７号公報（段落００４６−００４７、図１）

上記カソード保持構造Ｂにおいては、カソード９０からカソードホルダー３０への伝熱損失を低減するためには、ナット１００を完全に締め付けずに少し緩めておく必要がある。しかしそのようにしておいて振動が加わると、例えば当該カソード保持構造を採用しているイオン源を台車に載せて移動させる際にイオン源に振動が加わる場合が多いので、その振動によってナット１００が更に緩んでしまい、カソード９０とフィラメント５０間の隙間８２の寸法が変わるという課題がある。

例えば、イオン源に対して、上記のようにカソードホルダー３０の先端部が鉛直方向Ｇの下に向くように配置していると、ナット１００が緩むとカソード９０の位置が下方（重力方向）へずれるので、上記隙間８２の寸法が大きくなり、その結果例えば、カソード９０の温度が十分に上がらずイオン源内におけるアーク放電の制御をうまく行うことができなくなる等の不都合が発生する。また、極端な場合はカソード９０が脱落する。

かと言って、ナット１００を完全に締め付けておくと、上述したように、接触面積が大きくなってカソード９０からカソードホルダー３０への伝熱損失が大きくなり、フィラメント５０によるカソード９０の加熱効率が低下する。

また、カソード９０には、熱電子放出特性等の観点からタングステンが用いられることが多いが、雄ねじ部９４を形成するためにタングステンにねじ加工を施すのは難しいので、製作コストが高くなるという課題もある。

そこでこの発明は、組立てが容易であり、カソードの加熱効率を高めることができ、振動が加わってもカソードの少なくとも下方への位置ずれや脱落を防止することができ、かつねじ加工を使わずに済み、構造が簡単なカソード保持構造およびそれを備えるイオン源を提供することを主たる目的としている。

この発明に係るカソード保持構造の一つは、貫通穴を有する棚部を備えている筒状のカソードホルダーと、前記カソードホルダーの棚部の貫通穴に挿通されているカソードであってその側壁の周囲に溝を有するカソードと、一箇所が前記カソードの溝の奥部の直径以下に開いていて当該開いた部分以外で前記カソードの溝の奥部を囲む平面形状をしており、かつ断面形状が円形をしているロックワイヤとを備えていて、前記カソードの溝に前記ロックワイヤを嵌めて、当該ロックワイヤを用いて前記カソードを前記カソードホルダーの棚部に係止していることを特徴としている。

このカソード保持構造によれば、ロックワイヤを用いて、カソードをカソードホルダーの棚部に係止して保持することができる。

前記カソードは、前記溝から離れた部分に、前記カソードホルダーの棚部の貫通穴よりも大きい前部を有していて、前記前部の端面と前記ロックワイヤとの間に前記カソードホルダーの棚部の内側端部を位置させていても良い。

前記カソードはその軸方向に間隔をあけて前記溝を二つ有していて、前記ロックワイヤは二つあり、前記カソードの各溝に前記各ロックワイヤをそれぞれ嵌めて、両ロックワイヤの間に前記カソードホルダーの棚部の内側端部を位置させていても良い。

この発明に係るカソード保持構造の他のものは、貫通穴を有する棚部を備えている筒状のカソードホルダーと、前記カソードホルダーの棚部の貫通穴に挿通されているカソードであってその側壁の周囲に溝を有するカソードと、一箇所が前記カソードの溝の奥部の直径以下に開いていて当該開いた部分以外で前記カソードの溝の奥部を囲む平面形状をしており、かつ断面形状が円形をしているロックワイヤとを備えており、かつ前記カソードは、前記溝に続く部分に、前記カソードホルダーの棚部の貫通穴よりも大きい後部を有しており、前記カソードの溝に前記ロックワイヤを嵌めて、前記カソードの後部の端面と前記ロックワイヤとの間に前記カソードホルダーの棚部の内側端部を位置させて前記カソードを保持していることを特徴としている。

前記ロックワイヤは、例えば、平面形状がＣ形をしていても良いし、平面形状が、前記一箇所が開いた多角形をしていても良い。

この発明に係るイオン源は、前記カソード保持構造と、前記カソードホルダー内に設けられていて前記カソードをその後部から加熱するフィラメントとを備えていることを特徴としている。

請求項１に記載のカソード保持構造は、カソードの溝にロックワイヤを嵌めて、当該ロックワイヤを用いてカソードをカソードホルダーの棚部に係止している構造であるので、カソードをカソードホルダーに圧入嵌合する構造に比べて、組立てが容易である。

しかも、断面形状が円形のロックワイヤを用いてカソードをカソードホルダーの棚部に係止しているので、ナットを用いる構造に比べて、ロックワイヤとカソードおよびカソードホルダーの棚部との接触面積を小さくすることができ、更にロックワイヤ自体の体積を小さくしてその熱容量を大幅に低減することができるので、カソードからカソードホルダーへの伝熱損失を小さくしてカソードの加熱効率を高めることができる。

更に、カソードの溝にロックワイヤを嵌めて、当該ロックワイヤを用いてカソードをカソードホルダーの棚部に係止している構造であるので、ナットを緩めて使用する場合と違って、振動が加わってもカソードの少なくとも下方への位置ずれや脱落を防止することができる。従って信頼性が高い。

更に、カソードには単純な溝を形成すれば良いので、加工の難しいねじ加工を使わずに済む。しかも当該溝とロックワイヤを組み合わせた構造であるので、構造が単純である。従って、製作コストを低減することができる。

また、請求項２に記載のカソード保持構造によれば、カソードはその溝から離れた部分にカソードホルダーの棚部の貫通穴よりも大きい前部を有していて、当該前部の端面とロックワイヤとの間にカソードホルダーの棚部の内側端部を位置させている構造であるので、カソードの上下方向への位置ずれや脱落を防止することができる、という更なる効果を奏する。また、ロックワイヤを介してカソードをカソードホルダーの棚部に間接的に保持することができるので、カソードからカソードホルダーへの伝熱損失をより小さくしてカソードの加熱効率をより高めることができる。

請求項３に記載のカソード保持構造によれば、カソードはその軸方向に間隔をあけて溝を二つ有していて、その各溝にロックワイヤをそれぞれ嵌めて両ロックワイヤの間にカソードホルダーの棚部の内側端部を位置させている構造であるので、カソードの上下方向への位置ずれや脱落を防止することができる、という更なる効果を奏する。また、ロックワイヤを介してカソードをカソードホルダーの棚部に間接的に保持することができるので、カソードからカソードホルダーへの伝熱損失をより小さくしてカソードの加熱効率をより高めることができる。

請求項４に記載のカソード保持構造は、カソードの溝にロックワイヤを嵌めて、カソードの後部の端面とロックワイヤとの間にカソードホルダーの棚部の内側端部を位置させてカソードを保持している構造であるので、カソードをカソードホルダーに圧入嵌合する構造に比べて、組立てが容易である。

しかもこの発明の場合でも、カソードの後部がカソードホルダーの棚部に係合している部分の面積を、ナットを用いる場合に比べて小さくすることができるので、ナットを用いる場合に比べて、カソードからカソードホルダーへの伝熱損失を小さくしてカソードの加熱効率を高めることができる。

更に、カソードの溝にロックワイヤを嵌めて、カソードの後部の端面とロックワイヤとの間にカソードホルダーの棚部の内側端部を位置させてカソードを保持している構造であるので、ナットを緩めて使用する場合と違って、振動が加わってもカソードの上下方への位置ずれや脱落を防止することができる。従って信頼性が高い。

更に、カソードには単純な溝を形成すれば良いので、加工の難しいねじ加工を使わずに済む。しかも当該溝とロックワイヤを組み合わせた構造であるので、構造が単純である。従って、製作コストを低減することができる。

この発明に係るイオン源は、上記カソード保持構造を備えているので、上記カソード保持構造が奏する効果と同様の効果を奏する。

図１は、この発明に係るカソード保持構造の一実施形態を備えるイオン源の一例を電源と共に示す図である。まずこのイオン源全体について説明する。

このイオン源２は、フィラメント５０によってカソード２０を加熱して当該カソード２０から、アノードを兼ねるプラズマ生成容器４内に熱電子を放出させる構造をしており、傍熱陰極型のイオン源である。

プラズマ生成容器４は、例えば直方体状をしていて、その内部には、例えばガス導入口８を通して、プラズマ６の生成用の所望のガス（蒸気の場合を含む）１０が導入される。このガス１０は、所望の元素（例えば、Ｂ、Ｐ、Ａs 等のドーパント）を含むガスである。より具体例を挙げれば、ＢＦ₃ 、ＰＨ₃ 、ＡsＨ₃ 、Ｂ₂Ｈ₆ 等の原料ガスを含むガスである。

プラズマ生成容器４の一つの壁面（長辺壁の一つ）には、イオンビーム１４の引き出し用のイオン引出し口１２が設けられている。このイオン引出し口１２は、例えば、当該壁面の長手方向に細長いスリット状をしている。

プラズマ生成容器４の他の一つの壁面（短辺壁の一つ）には、カソード２０を位置させるためのカソード用開口１８が設けられている。カソード用開口１８の正面形状は、この例では円形をしている。このカソード用開口１８を有する壁面と対向する壁面の内側には、この例では、カソード２０と対向させて、プラズマ６中の電子を反射させる反射電極１６が、電気絶縁物１７を介して保持されている。

反射電極１６は、この例のようにどこにも接続せずに浮遊電位にしても良いし、カソード用の支持体５８（換言すれば、アーク電源６８の負極端）に接続してカソード電位にしても良い。

プラズマ生成容器４内には、この例のように、プラズマ６の生成・維持用に、プラズマ生成容器４の外部に設けられた磁石（図示省略）から、カソード２０と反射電極１６とを結ぶ軸に沿う磁界７６を印加するようにしても良い。但し磁界７６の向きは、図示とは逆でも良い。

カソード２０を保持する筒状のカソードホルダー３０の先端部が、プラズマ生成容器４の外部からカソード用開口１８内に、プラズマ生成容器４との間に隙間７０をあけて挿入されている。このカソードホルダー３０の先端部内に、以下に詳述するようなカソード保持構造によって、カソード２０が保持されている。

カソードホルダー３０の先端部内には、この実施形態では、カソードホルダー３０の内周面およびカソード２０の外周面との間に空間をあけて、カソード２０の外周面を取り囲むように、筒状（この例では円筒状）の第１熱シールド３６が設けられている。この第１熱シールド３６は、この例では、カソードホルダー３０の棚部３２に、それと一体物として立設されている。

カソードホルダー３０の先端、カソード２０の先端および第１熱シールド３６の先端は、この例では、プラズマ生成容器４のカソード用開口１８周りの内壁面５よりもプラズマ生成容器４外側に位置している。但し、これらの先端は、内壁面５と同一面に位置させても良いし、更に必要に応じてプラズマ生成容器４内に位置させても良い。

カソードホルダー３０の先端部とプラズマ生成容器４との間の隙間７０は断面がＬ字状に折れ曲がっていて、この隙間７０の部分に迷路構造部７２を形成している。このような迷路構造部７２を形成することによって、隙間７０の部分におけるガスのコンダクタンスを低下させることができるので、プラズマ生成用のガス１０の漏れを抑制して、ガス１０の利用効率を向上させることができる。また、ガス１０が漏れ出ることによるプラズマ生成容器４周辺の構造物の汚染を抑制することができる。

但し、上記のような迷路構造部７２を採用する代わりに、カソードホルダー３０とプラズマ生成容器４との間を電気絶縁物で塞いでも良い。

カソードホルダー３０内であってカソード２０の後部２４の近傍には、当該後部２４との間に隙間８２（図２参照）をあけて、カソード２０をその後部２４から加熱するフィラメント５０が設けられている。フィラメント５０は、この例では、概ねＵ字状に曲げ戻された形状をしており、かつその中間部に、カソード２０の後部２４の表面に沿うように曲げられた部分を有している。

更にこの例では、カソードホルダー３０内に、フィラメント５０との間に空間をあけてフィラメント５０の後面を一重以上に（この例では二重に）覆うように、第２熱シールド５４が設けられている。第２熱シールド５４は、この例では、筒状部５６の先端に、それと一体で設けられている。

カソードホルダー３０は支持体５８によって、フィラメント５０はその両端部が二つのフィラメント導体６２によって（いずれも一方のみが図に表れている）、第２熱シールド５４は筒状部５６および支持体６０を介して一方のフィラメント導体６２によって、それぞれ所定の位置に保持されている。

フィラメント５０の両端部には、フィラメント導体６２を介して、フィラメント５０を加熱するフィラメント電源６４が接続されている。フィラメント５０の一端と第２熱シールド５４とは、支持体６０および筒状部５６を介して同電位にされている。フィラメント電源６４は、図示例のように直流電源でも良いし、交流電源でも良い。

フィラメント５０とカソード２０との間には、フィラメント５０から放出された熱電子をカソード２０に向けて加速して、当該熱電子の衝撃によってカソード２０を加熱する直流の加熱電源６６が、カソードホルダー３０等を介して、かつカソード２０を正極側にして接続されている。

カソード２０とプラズマ生成容器４との間には、カソード２０から放出された熱電子を加速して、プラズマ生成容器４内に導入されたガス１０を電離させると共にプラズマ生成容器４内でアーク放電を生じさせて、プラズマ６を生成する直流のアーク電源６８が、プラズマ生成容器４を正極側にして接続されている。

上記イオン源２においては、フィラメント５０によってカソード２０を加熱してカソード２０からプラズマ生成容器４内に熱電子を放出させて、当該熱電子を用いてプラズマ生成容器４内でアーク放電を生じさせて、プラズマ生成容器４内に導入されたガス１０を電離させてプラズマ６を生成し、このプラズマ６から、イオン引出し口１２を通して、電界の作用で、イオンビーム１４を引き出すことができる。なお、イオン引出し口１２の出口側近傍には、通常は、イオンビーム１４の引き出し用の引出し電極が設けられる。

次に、カソードホルダー３０に、より具体的にはその先端部内に、カソード２０を保持するカソード保持構造の一実施形態を、図２、図３を参照して説明する。図２は、図１中のカソード保持構造部分を拡大して示す図である。図３は、図２中の線Ｃ−Ｃに沿う断面図である。

このカソード保持構造は、貫通穴３４を有する棚部３２を備えている筒状のカソードホルダー３０と、このカソードホルダー３０の棚部の貫通穴３４に挿通されているカソード２０であってその側壁の周囲に溝２６を有するカソード２０と、一箇所がカソード２０の溝２６の奥部２７の直径以下に開いていて当該開いた部分以外でカソード２０の溝の奥部２７を囲む平面形状をしており、かつ断面形状が円形をしているロックワイヤ４０とを備えている。そして、カソード２０の溝２６にロックワイヤ４０を嵌めて、当該ロックワイヤ４０を用いてカソード２０をカソードホルダー３０の棚部３２に係止している。

これをより具体的に説明すると、カソード２０は、この実施形態では、全体として概ね円柱状をしていて、熱電子を放出（例えばイオン源２のプラズマ生成容器４内へ放出）させるための前部２２、その背後にあり前部２２よりも細い（直径の小さい）後部２４および後部２４の中間部の側壁の周囲に形成された円環状の溝２６を有している。即ち、このカソード２０は、溝２６から離れた部分に、カソードホルダー３０の棚部３２の貫通穴３４よりも大きい前部２２を有している。

カソード２０は、金属、例えばタングステン（Ｗ）から成る。

カソードホルダー３０は、この実施形態では、プラズマ生成容器４に対して、先端部が鉛直方向Ｇの下に向くように配置されている。カソードホルダー３０は、筒状（この例では円筒状）をしており、その先端部付近（先端部から少し奥まった所）内に、貫通穴３４を有する棚部３２を備えている。貫通穴３４の平面形状は、この例では円形をしている。この貫通穴３４の直径は、カソード２０の後部２４の外径よりも若干大きい。この貫通穴３４に、カソード２０の後部２４が挿通されている。

カソードホルダー３０は、金属、例えばモリブデン（Ｍo ）から成る。上記第１熱シールド３６、第２熱シールド５４、筒状部５６、支持体５８、６０およびフィラメント導体６２も同様である。

ロックワイヤ４０は、この実施形態では、平面形状が円環状のＣ形、断面形状が円形をしている。従ってロックワイヤ４０は、その一箇所に、カソード２０の溝の奥部２７の直径よりも小さく開いた部分４２を有している。

ロックワイヤ４０は、金属、例えばタングステン（Ｗ）から成る。ロックワイヤ４０は、より具体例を挙げると、タングステンワイヤを所定形状（この例では円環状のＣ形）に曲げて形成したものであり、その形状を保持する弾性を有している。後述する他の例においても同様である。

ロックワイヤ４０の断面直径（線径）は、この例では、カソード２０の溝２６の幅Ｗとほぼ等しくしており、かつ溝２６の深さＥよりも大きくしている。従って、ロックワイヤ４０の外周部が溝２６から外に出て（露出して）いる。ロックワイヤ４０のＣ形平面形状の外径は、棚部３２の貫通穴３４の直径よりも大きくしている。以上によって、ロックワイヤ４０はカソードホルダー３０の棚部３２に引っ掛かる。

そして、カソード２０の後部２４をカソードホルダー３０の棚部３２の貫通穴３４に挿通した状態で、カソード２０の溝２６にロックワイヤ４０を嵌めて、当該ロックワイヤ４０でカソード２０をカソードホルダー３０の棚部３２に係止している。即ち、カソード２０を、ロックワイヤ４０を介して間接的に、カソードホルダー３０（より具体的にはその棚部３２）に保持している。

なお、ロックワイヤ４０をカソード２０の溝２６に嵌めたり外したりするには、必要に応じて治具を用いても良い。

カソード２０をカソードホルダー３０に上記のように保持した状態において、カソード２０の後部２４の外周面と棚部３２の貫通穴３４の壁面との間には通常は隙間８５が存在している。また、イオン源２に対しては、前述したようにカソードホルダー３０の先端部が鉛直方向Ｇの下に向くように配置されているので、カソード２０の前部２２の上面と棚部３２の下面との間にも通常は隙間８４が存在している。

このカソード保持構造は、カソード２０の後部２４の溝２６にロックワイヤ４０を嵌めて、当該ロックワイヤ４０でカソード２０をカソードホルダー３０の棚部３２に係止している構造であるので、カソードをカソードホルダーに圧入嵌合する構造に比べて、組立てが容易である。

しかも、カソード２０をカソードホルダー３０に直接固定するのではなくロックワイヤ４０を介して間接的に保持しており、かつ断面形状が円形のロックワイヤ４０を用いているので、ナットを用いる構造に比べて、当該ロックワイヤ４０とカソード２０およびカソードホルダー３０の棚部３２との接触面積を小さくすることができる。これは、図１１に示した従来例のようにナット１００を用いる構造では、当該ナット１００と棚部３２とが面接触になり、またナット１００と雄ねじ部９４とも面接触になるので接触面積が大きいのに対して、この実施形態の場合は、ロックワイヤ４０の断面形状が円形なので当該ロックワイヤ４０と棚部３２とは線接触になり、かつロックワイヤ４０とカソード２０とも線接触になるので接触面積が小さくなるからである。更に、ナットに比べて、ロックワイヤ４０自体の体積を小さくしてその熱容量を大幅に低減することができる。従って、カソード２０からカソードホルダー３０への伝熱損失を小さくして、フィラメント５０によるカソード２０の加熱効率を高めることができる。

更に、カソード２０の溝２６にロックワイヤ４０を嵌めて、当該ロックワイヤ４０でカソード２０をカソードホルダー３０の棚部３２に係止している構造であり、ナットを緩めて使用する場合と違って、振動が加わってもロックワイヤ４０による係止が外れることはないので、カソード２０の上下方向への位置ずれや脱落を防止することができる。従って信頼性が高い。

更に、カソード２０には単純な溝２６を形成すれば良いので、加工の難しいねじ加工を使わずに済む。しかも当該溝２６とロックワイヤ４０を組み合わせた構造であるので、構造が単純である。従って、製作コストを低減することができる。

また、上記例のようにロックワイヤ４０が円環状のＣ形の場合は、その開いた部分４２以外のほぼ全周において、当該ロックワイヤ４０によって、カソード２０と棚部３２との間の隙間８５をシールすることができるので、イオン源２のプラズマ生成容器４内に導入されたガス１０（いずれも図１参照）が隙間８５を通してカソードホルダー３０内へ漏れ出すのを抑制する効果が大きい。それによって、ガス１０に触れることによるフィラメント５０の寿命低下を抑制することができる。

上記のようなカソード保持構造を備えている図１に示すイオン源２も、上記と同様の効果を奏する。後述する他の実施形態のカソード保持構造を備えているイオン源も、当該カソード保持構造が奏する効果と同様の効果を奏する。

ロックワイヤ４０の平面形状は、上記例のような円環状のＣ形に限らない。例えば、楕円環状のＣ形でも良い。あるいは、一箇所が開いた多角形（三角形、四角形、五角形、六角形、・・・）でも良い。Ｕ字状やコ字状でも良い。いずれの場合も、ロックワイヤ４０の断面形状は円形が好ましい。図４は、ロックワイヤ４０が、一箇所４２が開いた四角形の場合の例を示す。上記のような平面形状のロックワイヤ４０によっても、カソード２０の溝２６に当該ロックワイヤ４０を嵌めて、当該ロックワイヤ４０を用いてカソード２０をカソードホルダー３０の棚部３２に係止してカソード２０を保持することができる。後述する他の実施形態においても同様である。

ロックワイヤ４０はいずれの平面形状の場合も、その開いた部分４２の寸法は、カソード２０の溝の奥部２７の直径以下の寸法にする。開いた部分４２の寸法は溝の奥部２７の直径と同じでも良く、その場合でもロックワイヤ４０が溝２６に係合していることやロックワイヤ４０の弾性等によって、振動等が加わってもロックワイヤ４０が溝２６から抜け出すのを防止することができるけれども、開いた部分４２の寸法は溝の奥部２７の直径よりも小さくするのが好ましく、溝の奥部２７の直径よりも十分に小さくするのが好ましい。そのようにすると、ロックワイヤ４０がより抜け出しにくくなるからである。また、上述した、開いた部分４２以外においてガス１０（図１参照）をシールする効果がより大きくなるからである。

ロックワイヤ４０の平面形状が、（ａ）円環状のＣ形の場合と、（ｂ）楕円環状のＣ形または多角形の場合とを比べると、（ａ）の場合は、円形なのでロックワイヤ４０の製作が容易であり工業的な生産性に優れているという利点があり、（ｂ）の場合は、図４を参照すれば良く分かるように、ロックワイヤ４０とカソード２０との接触面積をより小さくすることができるという利点がある。

次に、カソード保持構造の他の実施形態を説明する。図２〜図４に示した実施形態（以下、これを単に図２に示した実施形態と言う）と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下においては図２に示した実施形態との相違点を主体に説明する。

図５に示す実施形態は、カソード２０の前部２２と後部２４とを実質的に同一直径にしたものである。より具体的には、カソード２０の前部２２の直径を、上記後部２４の直径と実質的に同一にしたものである。

この実施形態の場合も、カソード２０の溝２６にロックワイヤ４０を嵌めて、ロックワイヤ４０を用いてカソード２０をカソードホルダー３０の棚部３２に係止している構造であるので、ナットを緩めて使用する場合と違って、振動が加わってもカソード２０の少なくとも下方への位置ずれや脱落を防止することができる。その他、図２に示した実施形態の場合と同様に、組立てが容易である、カソード２０からカソードホルダー３０への伝熱損失を小さくしてカソード２０の加熱効率を高めることができる、構造が単純である、等の作用効果を奏する。

図６に示す実施形態は、図５に示した実施形態の後部２４の直径を前部２２の直径よりも大きくしたものである。溝２６、ロックワイヤ４０は、図５に示した実施形態の場合と同様である。

この実施形態も、図５に示した実施形態と同様の作用効果を奏する。

図７に示す実施形態は、簡単に言えば、図５に示した実施形態の溝２６およびロックワイヤ４０をそれぞれ二つにしたものに相当する。即ちこの実施形態では、カソード２０はその軸方向に間隔をあけて溝２６を二つ有しており、ロックワイヤ４０は二つあり、各溝２６に各ロックワイヤ４０をそれぞれ嵌めて、両ロックワイヤ４０の間にカソードホルダー３０の棚部３２の内側端部を位置させている。

棚部３２の下面と下側のロックワイヤ４０とは接触していても良いけれども、この実施形態のように、二つの溝２６間の間隔を棚部３２の厚さよりもわずかに大きくしておいて、棚部３２の下面と下側のロックワイヤ４０との間に隙間８６が生じるようにしておいても良い。隙間８６を生じさせておくと、下側のロックワイヤ４０を介してのカソード２０からカソードホルダー３０への伝熱損失を無くすることができるので、カソード２０からカソードホルダー３０への伝熱損失を図２の実施形態の場合と同程度に低減することができる。

この実施形態も、二つのロックワイヤ４０によってカソード２０の上下方向への位置ずれや脱落を防止することができるので、図２に示した実施形態と同様の作用効果を奏する。

図８に示す実施形態は、図７に示した実施形態のカソード２０の前部２２の直径を後部２４の直径よりも大きくしたものである。溝２６、ロックワイヤ４０は、図７に示した実施形態の場合と同様である。

この実施形態も、図７に示した実施形態と同様の作用効果を奏する。

図９に示す実施形態は、図７に示した実施形態のカソード２０の後部２４の直径を前部２２の直径よりも大きくしたものである。溝２６、ロックワイヤ４０は、図７に示した実施形態の場合と同様である。

この実施形態も、図７に示した実施形態と同様の作用効果を奏する。

図１０に示す実施形態では、これ以前の実施形態よりも溝２６の幅Ｗを大きくしていて、カソード２０は、この溝２６に続く部分に、カソードホルダー３０の棚部３２の貫通穴３４よりも大きい後部２４を有している。そして、カソード２０の溝２６にロックワイヤ４０を嵌めて、カソード２０の後部２４の端面（下面）とロックワイヤ４０との間にカソードホルダー３０の棚部３２の内側端部を位置させてカソード２０を保持している。より具体的には、カソード２０の後部２４をカソードホルダー３０の棚部３２に係合させてカソード２０を保持している。この係合によって、カソード２０の下方への位置ずれや脱落が防止される。かつロックワイヤ４０によって、カソード２０の上方への位置ずれや脱落が防止される。

この場合も、棚部３２の下面とロックワイヤ４０とは接触していても良いけれども、この実施形態のように、溝２６の幅Ｗを、棚部３２の厚さにロックワイヤ４０の線径を加えた寸法よりもわずかに大きくしておいて、棚部３２の下面とロックワイヤ４０との間に隙間８６が生じるようにしておいても良い。隙間８６を生じさせておくと、ロックワイヤ４０を介してのカソード２０からカソードホルダー３０への伝熱損失を無くすることができる。

この実施形態の場合も、カソード２０の溝２６にロックワイヤ４０を嵌めて、カソード２０の後部２４の端面とロックワイヤ４０との間にカソードホルダー３０の棚部３２の内側端部を位置させてカソード２０を保持している構造であるので、カソードをカソードホルダーに圧入嵌合する構造に比べて、組立てが容易である。

しかも、カソード２０の後部２４がカソードホルダー３０の棚部３２に係合している部分の面積を、ナットを用いる場合に比べて小さくすることができるので、ナットを用いる場合に比べて、カソード２０からカソードホルダー３０への伝熱損失を小さくしてカソード２０の加熱効率を高めることができる。

更に、カソード２０の溝２６にロックワイヤ４０を嵌めて、カソード２０の後部２４の端面とロックワイヤ４０との間にカソードホルダー３０の棚部３２の内側端部を位置させてカソード２０を保持している構造であるので、ナットを緩めて使用する場合と違って、振動が加わってもカソード２０の上下方への位置ずれや脱落を防止することができる。従って信頼性が高い。

更に、カソード２０には単純な溝２６を形成すれば良いので、加工の難しいねじ加工を使わずに済む。しかも当該溝２６とロックワイヤ４０を組み合わせた構造であるので、構造が単純である。従って、製作コストを低減することができる。

なお、上記各実施形態は、カソードホルダー３０の先端部が鉛直方向Ｇの下に向くように配置されている場合を例に説明したが、図２、図７〜図１０に示した実施形態は必ずしもその向きに限られるものではない。ロックワイヤ４０とカソード２０の前部２２の端面との間（図２の実施形態の場合）、二つのロックワイヤ４０間（図７〜図９の実施形態の場合）またはロックワイヤ４０とカソード２０の後部２４の端面との間（図１０の実施形態の場合）に、棚部３２の内側端部を位置させており、それによって、上記以外の向きでもカソード２０をカソードホルダー３０の所定位置に保持することができるからである。

この発明に係るカソード保持構造の一実施形態を備えるイオン源の一例を電源と共に示す図である。 図１中のカソード保持構造部分を拡大して示す図である。 図２中の線Ｃ−Ｃに沿う断面図である。 ロックワイヤの他の例を用いた実施形態を示す図であり、図３に対応している。 カソード保持構造の他の実施形態を示す図である。 カソード保持構造の更に他の実施形態を示す図である。 カソード保持構造の更に他の実施形態を示す図である。 カソード保持構造の更に他の実施形態を示す図である。 カソード保持構造の更に他の実施形態を示す図である。 カソード保持構造の更に他の実施形態を示す図である。 従来のカソード保持構造の一例を示す図である。

符号の説明

２ イオン源
４ プラズマ生成容器
２０ カソード
２２ 前部
２４ 後部
２６ 溝
２７ 溝の奥部
３０ カソードホルダー
３２ 棚部
３４ 貫通穴
４０ ロックワイヤ
４２ 開いた部分

Claims (7)

1. 貫通穴を有する棚部を備えている筒状のカソードホルダーと、
   前記カソードホルダーの棚部の貫通穴に挿通されているカソードであってその側壁の周囲に溝を有するカソードと、
   一箇所が前記カソードの溝の奥部の直径以下に開いていて当該開いた部分以外で前記カソードの溝の奥部を囲む平面形状をしており、かつ断面形状が円形をしているロックワイヤとを備えていて、
   前記カソードの溝に前記ロックワイヤを嵌めて、当該ロックワイヤを用いて前記カソードを前記カソードホルダーの棚部に係止していることを特徴とするカソード保持構造。
2. 前記カソードは、前記溝から離れた部分に、前記カソードホルダーの棚部の貫通穴よりも大きい前部を有しており、
   前記前部の端面と前記ロックワイヤとの間に前記カソードホルダーの棚部の内側端部を位置させている請求項１記載のカソード保持構造。
3. 前記カソードはその軸方向に間隔をあけて前記溝を二つ有しており、
   前記ロックワイヤは二つあり、
   前記カソードの各溝に前記各ロックワイヤをそれぞれ嵌めて、両ロックワイヤの間に前記カソードホルダーの棚部の内側端部を位置させている請求項１記載のカソード保持構造。
4. 貫通穴を有する棚部を備えている筒状のカソードホルダーと、
   前記カソードホルダーの棚部の貫通穴に挿通されているカソードであってその側壁の周囲に溝を有するカソードと、
   一箇所が前記カソードの溝の奥部の直径以下に開いていて当該開いた部分以外で前記カソードの溝の奥部を囲む平面形状をしており、かつ断面形状が円形をしているロックワイヤとを備えており、
   かつ前記カソードは、前記溝に続く部分に、前記カソードホルダーの棚部の貫通穴よりも大きい後部を有しており、
   前記カソードの溝に前記ロックワイヤを嵌めて、前記カソードの後部の端面と前記ロックワイヤとの間に前記カソードホルダーの棚部の内側端部を位置させて前記カソードを保持していることを特徴とするカソード保持構造。
5. 前記ロックワイヤは、平面形状がＣ形をしている請求項１ないし４のいずれかに記載のカソード保持構造。
6. 前記ロックワイヤは、平面形状が、前記一箇所が開いた多角形をしている請求項１ないし４のいずれかに記載のカソード保持構造。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載のカソード保持構造と、
   前記カソードホルダー内に設けられていて前記カソードを加熱するフィラメントとを備えていることを特徴とする傍熱陰極型のイオン源。

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