JP2010044993A - 熱陰極およびそれを備えるイオン源 - Google Patents

Abstract

【課題】 同軸構造の熱陰極の内部導体の温度上昇を抑制して、内部導体の寿命ひいては熱陰極の寿命を長くする。
【解決手段】 この熱陰極１０は、中空の外部導体２と、その内側に同軸状に配置されている中空の内部導体１と、両導体１、２の先端部を電気的に接続する接続導体３とを備えている。加熱電流Ｉ_H は、接続導体３を通して折り返されて、外部導体２と内部導体１とで互いに逆向きに流される。
【選択図】 図２

Description

この発明は、例えば、イオンビームを発生させるイオン源、プラズマを発生させるプラズマ源、電子ビームを発生させる電子ビーム源等に用いられるものであって、熱電子を放出する熱陰極、および、それを備えるイオン源に関する。

筒状の外部導体と、この外部導体の内側に同軸状に配置されている中実（中が詰まっていて中空でないこと）構造の内部導体（中心導体）と、この外部導体の先端部と内部導体の先端部とを電気的に接続する接続導体とを備えている同軸構造の熱陰極であって、加熱電流が、接続導体を通して折り返されて、外部導体と内部導体とで互いに逆向きに流される熱陰極、および、それを備えるイオン源が、例えば特許文献１に記載されている。

この特許文献１に記載の熱陰極によれば、（ａ）外部導体と内部導体とが同軸状であり、かつ外部導体と内部導体とで加熱電流が互いに逆向きに流されるので、両導体に流れる加熱電流が発生させる磁界が相殺し合い、当該熱陰極全体として見れば、加熱電流を流すことによって発生する磁界を小さく抑えることができるので、熱電子を放出しやすくなる、（ｂ）熱陰極の先端部（即ち接続導体付近）等の体積を、線材（棒材とも言える）によって形成されている公知のフィラメントに比べて大きくすることができるので、陰極寿命を長くすることができる、等の効果を奏するとされている。

特開２００６−５４１０８号公報（段落００２０、００２２〜００２３、図２）

上記熱陰極においては、内部導体の温度が、外部導体からの放射熱を受けて当該外部導体の温度よりも大きく上昇するので、熱電子放出量を多くするために加熱電流を大きくすると、内部導体の温度が当該内部導体を構成する材料の融点以上になって、内部導体が短時間で溶融、溶断する可能性があり、従って内部導体の寿命ひいては熱陰極の寿命が短いという課題がある。

そこでこの発明は、同軸構造の熱陰極の内部導体の温度上昇を抑制して、内部導体の寿命ひいては熱陰極の寿命を長くすることを主たる目的としている。

この発明に係る熱陰極の一つは、加熱電流が流されて熱電子を放出する熱陰極であって、中空の外部導体と、前記外部導体の内側に同軸状に配置されている中空の内部導体と、前記外部導体の先端部と前記内部導体の先端部とを電気的に接続する接続導体とを備えており、かつ前記加熱電流は、前記接続導体を通して折り返されて、前記外部導体と前記内部導体とで互いに逆向きに流されることを特徴としている。

この熱陰極においては、内部導体が中空であるので、中実の場合に比べて、内部導体の質量や断面積が大きくなるのを抑えつつ、内部導体の太さを大きくすることができる。その結果、内部導体の単位表面積当たりの熱の集中を抑制して、内部導体の温度上昇を抑制することができる。

外部導体の先端部と内部導体の先端部とを接続導体で接続する代わりに、両先端部を電気的に直接接続しても良い。

内部導体は、外部導体よりも融点の高い材料で形成されていても良い。

この発明に係るイオン源は、上記熱陰極を、プラズマ生成用の陰極として備えている。

請求項１、２に記載の発明によれば、内部導体が中空であるので、中実の場合に比べて、内部導体の質量や断面積が大きくなるのを抑えつつ、内部導体の太さを大きくすることができる。その結果、内部導体の単位表面積当たりの熱の集中を抑制して、内部導体の温度上昇を抑制することができる。従って、内部導体の寿命ひいては熱陰極の寿命を長くすることができる。

更に、請求項２に記載の発明によれば次の効果を奏する。即ち、外部導体の先端部と内部導体の先端部とを、接続導体を用いずに、電気的に直接接続しているので、接続導体を用いる場合に比べて、熱陰極の先端部の体積を小さくすることができる。その結果、熱陰極の熱容量を小さくし、温度制御時の時定数を小さくして、温度制御の応答性をより良くすることができる。

請求項３に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、内部導体は外部導体よりも温度が高くなるけれども、内部導体は外部導体よりも融点の高い材料で形成されているので、内部導体の耐熱性が高く、従って内部導体の寿命ひいては熱陰極の寿命をより長くすることができる。また、熱陰極の運転範囲をより広くすることもできる。

請求項４に記載の発明によれば、上記のような熱陰極をプラズマ生成用の陰極として備えているので、請求項１、２または３記載の発明について上述した効果と同様の効果を奏することができる。

図１は、この発明に係る熱陰極を備えるイオン源の一実施形態を示す概略断面図である。このイオン源２０は、プラズマ３２の生成用の陰極として、熱陰極１０を備えている。即ちこのイオン源２０は、熱陰極１０からアノードを兼ねるプラズマ生成容器２２内へ熱電子を放出させ、熱陰極１０とプラズマ生成容器２２との間でアーク放電を生じさせて、プラズマ生成容器２２内へ導入されたガス（蒸気の場合を含む）３０を電離させてプラズマ３２を生成し、このプラズマ３２からイオン引出し口３４を通して引出し電極系３６によってイオンビーム３８を引き出すよう構成されている。

イオン引出し口３４は、この実施形態では、図１中において上下方向に長い形状をしており、イオン源２０はリボン状のイオンビーム３８を引き出すことができる。イオン引出し口３４は、より具体的にはこの実施形態では、上記上下方向に長いスリット状をしている。

引出し電極系３６は、図示例では１枚の電極で構成されているが、それに限られるものではなく、複数枚の電極で構成されていても良い。

熱陰極１０は、後で図２〜図６を参照して詳述するけれども、共に中空の外部導体２および内部導体１を有する同軸構造をしている。この熱陰極１０は、イオン引出し口３４の長手方向に沿うように（例えば実質的に平行になるように）、プラズマ生成容器２２内に、例えば全長の半分以上が挿入されている。熱陰極１０がプラズマ生成容器２２を貫通する部分は、この実施形態では電気絶縁物２４によって絶縁されている。但し、電気絶縁物２４を用いずに、空間絶縁（例えば１ｍｍ程度またはそれ以下の隙間による絶縁）によって、熱陰極１０とプラズマ生成容器２２との間を電気的に絶縁しても良い。熱陰極１０の長手方向の端部の内で、プラズマ生成容器２２内に位置する側の端部が先端部１０ａである。

熱陰極１０の外部導体２と内部導体１との間には、加熱電流Ｉ_H を流す（供給する）加熱電源２６が接続されている。より具体的にはこの実施形態では、加熱電源２６は直流電源であって、その正極が外部導体２に、負極が内部導体１にそれぞれ接続されている。熱陰極１０は、より具体的にはそれを構成する外部導体２および内部導体１は（図２、図３の実施形態の場合は更に接続導体３も）、上記加熱電流Ｉ_H によって発熱して、プラズマ生成容器２２内に熱電子を放出する。

熱陰極１０（より具体的にはこの実施形態ではその内部導体１）とプラズマ生成容器２２との間には、両者間に直流電圧を印加して、上記アーク放電を生じさせてアーク電流を流す直流のアーク電源２８が、プラズマ生成容器２２を正極側にして接続されている。

イオン源２０は、この実施形態では更に、プラズマ生成容器２２内であって熱陰極１０とは反対側の部分に、電子を反射させる反射電極４０を有している。４２は電気絶縁物である。熱陰極１０と反射電極４０とを結ぶ軸４８は、イオン引出し口３４の長手方向に沿っている（例えば実質的に平行である）。更にこの実施形態では、プラズマ生成容器２２内には、その外部に設けた磁石４４によって、上記軸４８に沿う方向の磁界４６が印加される。磁界４６の向きは図示とは逆でも良い。

磁界４６は、プラズマ３２中の電子やイオンが当該磁界４６と交差する方向に拡散するのを抑制して、密度の高いプラズマ３２を生成することに、換言すればプラズマ３２の生成効率を高めることに寄与する。反射電極４０も、熱陰極１０から放出された電子（熱電子）やプラズマ３２中の電子を反射させて、当該電子とガス分子との衝突確率を高めて、密度の高いプラズマ３２を生成することに、換言すればプラズマ３２の生成効率を高めることに寄与する。

次に、上記熱陰極１０の幾つかの実施形態を図２〜図６を参照して説明する。

図２に示す熱陰極１０は、中空の外部導体２と、この外部導体２の内側に同軸状に配置されている中空の内部導体１と、外部導体２の先端部と内部導体１の先端部とを電気的に接続する接続導体３とを備えている。そして、上記加熱電源２６から供給される加熱電流Ｉ_H は、接続導体３を通して折り返されて、外部導体２と内部導体１とで互いに逆向きに流される。外部導体２および内部導体１は、共に筒状（但し以下に述べるように、横断面が円形に限られるものではない）をしていると言うこともできる。なお、内部導体１を外部導体２に対して所定の位置に位置決めする支持部材の図示は省略している。後述する他の実施形態においても同様である。

外部導体２および内部導体１は、この実施形態では、横断面が共に円形をしているが、それに限られるものではなく、横断面が共に楕円形や多角形等をしていても良い。また、熱陰極１０以外のイオン源２０を構成するプラズマ生成容器２２等による熱陰極１０への熱放射の影響を加味した上で、外部導体２と内部導体１との横断面形状を互いに若干異なるようにしても良い。以上のことは、図３〜図５に示す実施形態においても同様である。

接続導体３は、環状をしている。より具体的にはこの実施形態では円環状をしているが、それに限られるものではなく、要は外部導体２および内部導体１の横断面形状に合わせれば良い。

接続導体３は、この実施形態では、外部導体２の先端部と内部導体１の先端部との間に嵌合して結合している。この接続導体３と外部導体２および内部導体１との結合は、例えば、嵌合による結合のみでも良いし、嵌合と溶接を併用しても良い。溶接を併用すると、結合の信頼性が向上する。

外部導体２、内部導体１および接続導体３は、それぞれ、例えば、モリブデン（融点２８９６Ｋ）、タンタル（融点３２９０Ｋ）、タングステン（融点３６９５Ｋ）、レニウム（融点３４５９Ｋ）、イリジウム（融点２７３９Ｋ）のような高融点金属またはこられの金属の内の二つ以上を含む合金等の高融点材料で形成するのが好ましい。図３〜図５に示す実施形態においても同様である。

この熱陰極１０においては、内部導体１が中空であるので、中実の場合に比べて、内部導体１の質量や断面積が大きくなるのを抑えつつ、内部導体１の太さ（例えば外径）を大きくすることができる。その結果、内部導体１の単位表面積当たりの熱の集中を抑制して、内部導体１の温度上昇を抑制することができる。従って、内部導体１の寿命ひいては熱陰極１０の寿命を長くすることができる。

仮に、内部導体を中空ではなく、単に中実で直径の大きい棒状や、中実で直径の小さい棒の集合体にした場合は、（ａ）内部導体の質量が大きくなって熱容量が大きくなるので、温度制御時の時定数が大きくなって熱陰極１０の温度制御の応答性が悪くなる、（ｂ）内部導体の断面積が大きくなって電気抵抗が小さくなるので、熱陰極に投入できる電力が小さくなり、熱陰極１０の温度が十分に上がらなくなる、等の不都合が発生するけれども、内部導体１を中空にすることによってこのような不都合の発生を防止することができる。

内部導体１の温度を、図６に示したモデルを用いて式で説明する。ここでは、熱陰極１０の軸方向における温度勾配は無視することにする。

この場合、間隔に比べて十分に大きな面積を有している二つの物体が放射のやりとりをしている場合における公知の関係式に従って（例えば、北村健三、大竹一友、「基礎伝熱工学」、初版、共立出版株式会社、１９９１年１２月２５日、頁１４６−１４８参照）、内部導体１の正味の（即ち内部導体１が放射する熱量から内部導体１が吸収する熱量を引いた）放射熱Ｑ₁ は、数１で表すことができる。ここで、ａ、ｂはそれぞれ円筒状の内部導体１、外部導体２の半径（厚さは無視）、Ｅ₁ 、Ｅ₂ はそれぞれ内部導体１、外部導体２の放射エネルギー、ε₁ 、ε₂ はそれぞれ内部導体１、外部導体２の放射率、Ｔ₁ 、Ｔ₂ はそれぞれ内部導体１、外部導体２の温度、σはステファン・ボルツマン定数である。

内部導体１において放射平衡（即ち、内部導体１が放射する熱量と内部導体１が吸収する熱量とが等しい状態）が実現していて内部導体１の温度が平衡を保っているとすると、上記Ｑ₁ ＝０と置くことができるので、これと数１とから、数２が得られ、更に数３が得られ、これによって内部導体１の温度Ｔ₁ を求めることができる。

この数３から、内部導体１の半径ａを大きくすると（但し、外部導体２の半径ｂよりも小さく、かつ電気絶縁に必要なギャップを確保できることが条件）、その温度Ｔ₁ を下げられることが分かる。具体的には、内部導体１の半径ａを外部導体２の半径ｂに近づけると、内部導体１の温度Ｔ₁ は外部導体２の温度Ｔ₂ に近づくことが分かる。

例えば、内部導体１および外部導体２がタングステン（融点３６９５Ｋ）で形成されていて、所要の熱電子量を得る場合の外部導体２の温度Ｔ₂ が３０００Ｋであるとする。

この場合、仮に、外部導体２の半径ｂを２．５ｍｍとし、内部導体１を従来例のように中実としてその半径ａを１．０ｍｍとすると、上記数３からＴ₁ ＝１．２５７×３０００＝３７７１［Ｋ］となり、タングステンの上記融点を超えてしまう。

しかしながら、外部導体２の半径ｂを同じく２．５ｍｍとし、内部導体１をこの発明に従って中空（筒状）としてその半径を２．０ｍｍとすると、上記数３からＴ₁ ＝１．０５７×３０００＝３１７１［Ｋ］となり、タングステンの上記融点よりも十分に低い温度となる。

再び図１、図２を参照して、上記熱陰極１０は、更に次のような効果も奏する。即ち、外部導体２と内部導体１とが同軸状であり、かつ外部導体２と内部導体１とで加熱電流Ｉ_H が互いに逆向きに流されるので、両導体２、１に流れる加熱電流Ｉ_H が発生させる磁界が相殺し合い、当該熱陰極１０全体として見れば、加熱電流Ｉ_H を流すことによって発生する磁界を小さく抑えることができる。従って、当該磁界に熱電子が捕捉されにくくなるので、熱電子を放出しやすくなる。

また、このような熱陰極１０を備えているイオン源２０においては、磁石４４によってプラズマ生成容器２２内に印加する磁界４６が、熱陰極１０が発生する磁界によって乱されるのを小さく抑制することができるので、プラズマ生成容器２２内に、図１に示す例のように、イオン引出し口３４に沿っていて、かなりシャープで高密度な円柱状のプラズマ３２を生成することができる。その結果、当該プラズマ３２からイオン引出し口３４を通してイオンビーム３８を効率良く引き出すことができるので、イオンビーム３８のビーム電流を大きくすることが容易になる。

これに対して、上記熱陰極１０の代わりに、公知のＵ字状のフィラメントを設けた場合は、図示していないけれども、当該フィラメントに加熱電流を流すことによって強い磁界が広範囲に発生し、これが上記磁界４６を大きく乱すので、プラズマ３２はプラズマ生成容器２２内において大きく広がったものとなり、その密度も低くなる。その結果、イオンビーム３８のビーム電流は、上記熱陰極１０を用いる場合に比べてかなり小さくなる。

更に、上記熱陰極１０においては、熱陰極１０の先端部１０ａ（即ち接続導体３付近）等の体積を、線材（棒材とも言える。以下同様）によって形成されている公知のフィラメントに比べて大きくすることができるので、熱陰極１０の寿命を長くすることができる。

次に、熱陰極１０の他の実施形態を、図２に示した実施形態と同一または相当する部分には同一符号を付して、図２に示した実施形態との相違点を主体に説明する。

図３に示す熱陰極１０は、外部導体２の先端部と内部導体１の先端部とを、盤状の接続導体３によって電気的に接続している。この接続導体３の平面形状は、この実施形態では円形をしているが（即ち接続導体３は円盤状をしているが）、それに限られるものではなく、要は外部導体２および内部導体１の横断面形状に合わせれば良い。

接続導体３は、この実施形態では、外部導体２の先端部と内部導体１の先端部とに嵌合して結合している。即ち、接続導体３は、内部導体１の先端部に被せるように嵌合すると共に、外部導体２の先端部内に嵌合している。この接続導体３と外部導体２および内部導体１との結合は、例えば、嵌合による結合のみでも良いし、嵌合と溶接を併用しても良い。溶接を併用すると、結合の信頼性が向上する。

図４、図５に示す熱陰極１０においては、上記接続導体３を用いずに、外部導体２の先端部と内部導体１の先端部とを電気的に直接接続している。

より具体的には、図４に示す熱陰極１０では、外部導体２の先端部を内側に絞っておくことによって、内部導体１の先端部と接触させて、両先端部を互いに電気的に接続している接続部４を形成している。

図５に示す熱陰極１０では、内部導体１の先端部を外側に広げておくことによって、外部導体２の先端部と接触させて、両先端部を互いに電気的に接続している接続部４を形成している。

上記接続部４における両導体１、２の先端部の接続は、嵌め合いによる接続だけでも良いし、それと溶接を併用しても良い。溶接を併用すると、接続の信頼性が向上する。

前述した熱陰極１０の温度制御の応答性の観点から、図２〜図５に示した各熱陰極１０を比べると、図４、図５に示した熱陰極１０では、外部導体２の先端部と内部導体１の先端部とを、接続導体を用いずに、電気的に直接接続しているので、接続導体３を用いた図２、図３の熱陰極１０に比べて、熱陰極１０の先端部１０ａの体積を小さくすることができる。その結果、熱陰極１０の熱容量を小さくし、温度制御時の時定数を小さくして、温度制御の応答性をより良くすることができる。

共に接続導体３を用いた図２と図３の熱陰極１０を比べると、図２の熱陰極１０の方が接続導体３の質量が小さくて熱容量が小さいので、応答性が良い。但し、図３の熱陰極１０でも、陰極をフィラメントによって加熱する傍熱型陰極に比べれば応答性は良い。

熱陰極１０の温度制御の応答性の善し悪しは、例えば１〜２秒程度の差であるけれども、当該熱陰極１０を有するイオン源２０が例えばイオン注入装置に用いられている場合、注入条件を１日に多数回（例えば何十回というオーダー。以下同様）変えるためにイオン源２０の立ち上げ、立ち下げを１日に多数回行うようなこともあり、その場合は熱陰極１０の上記応答性がイオン注入装置のスループットにも影響する。従って、熱陰極１０の上記応答性が良い方が好ましい。

なお、図４、図５に示す熱陰極１０の場合、接続導体３を用いていない分、先端部１０ａの体積は図２、図３に示す熱陰極１０よりも小さくなり、寿命の点では幾分不利になるけれども、これは例えば接続部４を軸方向に長く取ることによってある程度は補うことができる。また、線材によって形成されている公知のフィラメントに比べれば、当該フィラメントよりかは先端部１０ａ等の体積を大きくすることができるので、熱陰極１０の寿命を長くすることができる。

上記いずれの実施形態においても、内部導体１を、外部導体２よりも融点の高い材料で形成しておいても良い。上記数３からも分かるように、内部導体１は必ず外部導体２よりも温度が高くなるので、内部導体１を外部導体２よりも融点の高い材料で形成しておくことによって、内部導体１の耐熱性を高くして、内部導体の寿命ひいては熱陰極の寿命をより長くすることができる。また、熱陰極１０の運転範囲をより広くすることもできる。

前述した材料の内で、内部導体１の融点が外部導体２の融点よりも高い関係を満たす材料の組み合わせの例を表１、表２に示す。表１は接続導体３を有する場合、表２は接続導体３を有していない場合である。但しこれらはあくまでも例であり、ここで示した材料以外を使用することもできる。

また、表１、表２には、各組み合わせについて、熱陰極１０の寿命等の観点（即ち、上述したように熱陰極１０の寿命や熱陰極１０の運転範囲を広くする観点）から好ましいという順位と、それに材料の加工性（即ち加工の難易）も考慮して好ましい順位とを併せて示している。数字の小さい順位の方がより好ましい。但しこの順位はあくまでも一例であり、この発明は必ずしもこの順位に拘束されるものではない。

図１に示すイオン源２０は、上記各実施形態に示したような熱陰極１０を、プラズマ３２の生成用の陰極として備えているので、上記各実施形態の熱陰極１０が奏する上記効果と同様の効果を奏することができる。

但し、上記熱陰極１０は、図１に示したイオン源２０以外のイオン源にも適用することができる。例えば、反射電極４０を有していないイオン源や、熱陰極を複数有しているイオン源にも適用することができる。また、イオン源以外にも、熱陰極１０から放出させた熱電子を利用してプラズマを発生させるプラズマ源、熱陰極１０から放出させた熱電子を利用して電子ビームを発生させる電子ビーム源等にも適用することができる。

この発明に係る熱陰極を備えるイオン源の一実施形態を示す概略断面図である。 熱陰極の一実施形態を加熱電源と共に示す図であり、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は下から見た正面図である。 熱陰極の他の実施形態を加熱電源と共に示す図であり、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は下から見た正面図である。 熱陰極の更に他の実施形態を加熱電源と共に示す図であり、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は下から見た正面図である。 熱陰極の更に他の実施形態を加熱電源と共に示す図であり、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は下から見た正面図である。 熱陰極の外部導体および内部導体の一例を示す横断面図である。

符号の説明

１ 内部導体
２ 外部導体
３ 接続導体
４ 接続部
１０ 熱陰極
２０ イオン源
２６ 加熱電源
Ｉ_H 加熱電流

Claims (4)

1. 加熱電流が流されて熱電子を放出する熱陰極であって、
   中空の外部導体と、
   前記外部導体の内側に同軸状に配置されている中空の内部導体と、
   前記外部導体の先端部と前記内部導体の先端部とを電気的に接続する接続導体とを備えており、
   かつ前記加熱電流は、前記接続導体を通して折り返されて、前記外部導体と前記内部導体とで互いに逆向きに流されることを特徴とする熱陰極。
2. 加熱電流が流されて熱電子を放出する熱陰極であって、
   中空の外部導体と、
   前記外部導体の内側に同軸状に配置されている中空の内部導体とを備えており、
   前記外部導体の先端部と前記内部導体の先端部とを電気的に直接接続しており、
   かつ前記加熱電流は、前記外部導体と内部導体との接続部で折り返されて、前記外部導体と前記内部導体とで互いに逆向きに流されることを特徴とする熱陰極。
3. 前記内部導体は、前記外部導体よりも融点の高い材料で形成されている請求項１または２記載の熱陰極。
4. 請求項１、２または３記載の熱陰極を、プラズマ生成用の陰極として備えているイオン源。

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