JP2016536740A - 放射冷却増進エンドホール・イオン源 - Google Patents
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Abstract
Description
として譲受人によって販売されている市販製品において、より明白である。この市販製品の性能は、Mahoneyらによって、49th Annual Technical Conference Proceeding (2006)において706ページから始まる記事に記載されており、一方、この市販製品の保守は、作者不明の技術マニュアルであるManual #427366 Rev B (2006)に記載されている。本出願における図4の熱伝導性で電気的に絶縁の熱伝達境界部品442は、前述の作者不明の技術マニュアルでは、「熱伝達板」となる。
T1−T0=T2−T1=T3−T3など (1)
である。等温度曲線が、温度がT0に保持されるシリンダの底の接触面積の近くに集中されている。この集中は、シリンダにおける熱抵抗の相当の大きさが同じ位置に集中されていることを意味する。
ψ=1−1.40978ε+.34406ε3+.0435ε5.02271ε7 (2)
ここで、
ψ=4κARC (3)
である。ここで、κはシリンダの熱伝導であり、Aは(図12に示すような)接触半径であり、Rcは狭窄抵抗又は広がり抵抗であり、
ε=A/B (4)
である。ここで、(図12に示すように)Aは接触半径であり、Bはシリンダ半径である。本出願において興味のある非常に小さい値のεに関して、正確な相互関係は、Yovanovichにより、IEEE Transactions on Components and Packaging Technologiesの前述の記事に提供されている。
ψ=(1−ε)1.5 (5)
F=PAa=HAr (6)
熱結合部の2つの熱伝導要素が2つの異なる材料から作られている場合、使用されるべきミクロ硬度は、最小のミクロ硬度のある材料に関してである。実際と見掛けとの接触面積の割合は、上記の式から得られ、
Ar/Aa=P/H (7)
である。ミクロ硬度はバルク硬度と関係付けられる。図15を参照すると、真空室において幅広く用いられている材料である304ステンレス鋼のバルク硬度とミクロ硬度とが示されている。圧入深さの範囲にわたって硬度を測定するために、異なる硬度測定技術を用いることが必要である。ビッカース硬度がミクロ硬度測定に用いられ、一方、ブリネル硬度及びロックウェル硬度の測定がマクロ硬度測定に用いられる。硬度測定技術に関する追加の詳細は、Yovanovichらにより前述のChapter 4 in the Heat Transfer Handbookに提供されている。真空の結合部の典型的な不十分な熱接触は、単純な計算で説明できる。多数の小さい接触が、熱伝達を最大化するために望ましいとされる場合、前述のように、粗さの規模は非常に小さくされなければならず、結合部におけるめり込みも非常に小さく、304ステンレス鋼についての有効なミクロ硬度は約4ギガパスカルとなる。2メガパスカル(約20気圧に等しい)の適度な見かけの圧力に関して、実際と見掛けとの接触面積の割合は、約5×10−4となる。式(3)から式(5)までの考察は、多数の小さい接触の使用は、(少数の大きい接触とは対照的に、)この微細な接触面積を部分的にずらすが、その本当に極小の大きさが、真空の結合部の熱伝導の問題を提起することを示すことになる。先に言及したように、この障害は、熱伝達シートの使用で克服できるが、容易に損傷される追加の部品の導入という代償がある。
図16を参照すると、本発明の実施例であるエンドホール・イオン源600が示されている。このイオン源は、図1のイオン源100のものと同様の磁場を有する。ここでも永久磁石である磁場活性化手段102がある。図1との関連で記載したように、この磁場活性化手段は電磁石であってもよい。永久磁石102の頂部は内部極片102Aの機能を実施するが、内部極片は、ここでも、永久磁石102の頂部に配置されている磁気透過性材料の別の部品であってもよい。磁気回路は、磁気透過性の外部極片604と、磁気透過性の基礎板106と、磁気透過性の円筒壁608とを備えている。磁場活性化手段を備えた磁気回路は、内部極片102Aと外部極片604との間に磁場Bを発生する。
代替の一実施例では、結合部における2つの要素のうちの少なくとも一方が、メッキ若しくはロウ付けされなければならない、又は、低ミクロ硬度を有する少なくとも数十ミクロンの厚さの材料の層がその一方に付着されている。鉛又は錫は、全体の要素(例えば、中心板620又はシリンダ654)を構築するには適さない可能性がある。一方、より弱い材料は、結合部において中心板又はシリンダなどの要素に、メッキ、ロウ付け、溶接、スパッタリング蒸着、又は、永久的に付着される材料の層には適している可能性がある。イオン源の設計の詳細とイオン源が使用される用途とに依存して、低ミクロ硬度材料の蒸気圧力などの他の要素も、重要であり得る。
Claims (17)
- (a)
(i)開放している第1の端、第2の端、及び側部を有する放電領域、
(ii)前記放電領域の外側に配置される電子放出手段、
(iii)前記側部において前記放電領域を包囲する陽極、
(iv)前記第2の端において前記放電領域を包囲する反射体、並びに、
(v)イオン化可能作動ガスを前記放電領域へと導入するための手段
を備えるイオン発生手段と、
(b)
(i)前記放電領域の前記第2の端の外側で、前記反射体の近くに配置される磁気透過性の内部極片、
(ii)前記放電領域の前記第1の端の周りで、前記陽極と前記電子放出手段との間に配置される磁気透過性で熱伝導性の外部極片、
(iii)前記内部極片と前記外部極片との間の磁気透過性経路、及び、
(iv)前記磁気透過性経路に配置される磁場発生手段
を備える磁気回路手段と、
(c)閉止端、側壁、開放端、及び、流体が通って流れることができる内部通路を有する熱伝導性カップを備え、前記カップが前記陽極及び前記反射体を包囲し、前記閉止端が前記反射体と前記内部極片との間に配置され、前記カップと前記外部極片とが互いと物理的に接触しており、前記カップ及び前記外部極片の少なくとも一方が、低ミクロ硬度の材料から成る、冷却手段と、
(d)前記カップを前記外部極片に対して保持する組立手段と
を備えるエンドホール・イオン源装置。 - 前記カップが第1の面を備え、前記外部極片が、前記カップの前記第1の面と接触している第2の面を備え、前記第1の面及び前記第2の面の少なくとも一方が、前記カップ又は前記外部極片に永久的に付着される熱伝導性の低ミクロ硬度層から成る、請求項1に記載のエンドホール・イオン源装置。
- 前記外部極片が、永久的に付着される熱伝導性の低ミクロ硬度層から成る面を有し、前記外部極片が第1の熱伝導率を有し、前記低ミクロ硬度層が、前記第1の熱伝導率より大きい第2の熱伝導率を有し、前記外部極片の前記面の半分超を覆う、請求項1に記載のエンドホール・イオン源装置。
- 前記外部極片が、前記放電領域の前記第1の端の周りに配置される第1の複数の穴を備え、前記カップの前記側壁が、前記外部極片における前記第1の複数の穴の配置にそれぞれ対応する配置となっている第2の複数の穴を備え、前記カップが第1の熱膨張係数を有し、前記組立手段が、第2の熱膨張係数を有する複数の組立要素であって、前記カップと物理的に接触している前記外部極片を保持するために、前記第1の複数の穴及び前記第2の複数の穴を通って延びる複数の組立要素を備え、前記第1の熱膨張係数が前記第2の熱膨張係数より大きい、請求項1に記載のエンドホール・イオン源装置。
- 前記側壁と前記閉止端とが互いから分離でき、前記カップの前記側壁及び前記閉止端の少なくとも一方が、流体が通って流れることができる内部通路を有し、前記カップの前記側壁及び前記閉止端の少なくとも一方が、低ミクロ硬度を有する、請求項1に記載のエンドホール・イオン源装置。
- 前記カップの前記側壁と前記外部極片とが物理的に接触しており、前記側壁、前記閉止端、及び前記外部極片の少なくとも1つが、低ミクロ硬度を有する、請求項5に記載のエンドホール・イオン源装置。
- 前記側壁と前記閉止端とが互いと物理的に接触しており、前記側壁が第1の面を備え、前記外部極片が、前記第1の面と物理的に接触している第2の面を備え、前記第1の面及び前記第2の面の少なくとも一方が、それに永久的に付着された熱伝導性の層から成り、前記層が低ミクロ硬度を有し、前記側壁及び前記閉止端の少なくとも一方が低ミクロ硬度を有する、請求項5に記載のエンドホール・イオン源装置。
- 前記側壁と前記外部極片とが互いと物理的に接触しており、前記閉止端が、前記側壁にある第4の面と接触している第3の面を備え、前記第3の面及び前記第4の面の少なくとも一方が、それに永久的に付着される熱伝導性の層から成り、各々の前記熱伝導性の層が低ミクロ硬度を有する、請求項7に記載のエンドホール・イオン源装置。
- (a)
(i)開放している第1の端、第2の端、及び側部を有する放電領域、
(ii)前記放電領域の外側に配置される電子放出手段、
(iii)前記側部において前記放電領域を包囲する陽極、
(iv)前記第2の端において前記放電領域を包囲する反射体、並びに、
(v)イオン化可能作動ガスを前記放電領域へと導入するための手段
を備えるイオン発生手段と、
(b)
(i)前記放電領域の前記第2の端の外側で、前記反射体の近くに配置される磁気透過性の内部極片、
(ii)第1の熱伝導率を有し、前記放電領域の前記第1の端の周りで、前記陽極と前記電子放出手段との間に配置される磁気透過性で熱伝導性の外部極片、
(iii)前記内部極片と前記外部極片との間の磁気透過性経路、及び、
(iv)前記磁気透過性経路に配置される磁場発生手段
を備える磁気回路手段と、
(c)熱伝導性の閉止端、熱伝導性の側壁、及び開放端を有するカップを備え、前記側壁と前記閉止端とが分離でき、前記側壁及び前記閉止端の少なくとも一方が、流体が通って流れることができる内部通路を有し、前記カップが、前記閉止端が前記反射体と前記内部極片との間に配置される状態で、前記陽極及び前記反射体を包囲し、前記側壁と前記閉止端とが互いと物理的に接触しており、前記閉止端及び前記側壁の少なくとも一方が低ミクロ硬度を有し、前記外部極片が、前記カップを向く面を備え、前記面が、低ミクロ硬度を有する熱伝導性の層から成り、前記層が、前記外部極片に永久的に付着され、前記カップを向く前記外部極片の前記面の半分超を覆い、前記層が、前記第1の熱伝導率より大きい第2の熱伝導率を有する、冷却手段と、
(d)前記カップの前記閉止端を、前記カップの前記側壁に対して保持し、前記カップの前記側壁を、前記外部極片に対して保持する組立手段と
を備えるエンドホール・イオン源装置。 - 前記カップの前記側壁が、前記第1の熱膨張係数を示し、前記第2の複数の穴の配置にそれぞれ対応する配置となっている第3の複数の穴を前記閉止端にさらに備え、前記側壁と前記外部極片とが互いと物理的に接触しており、前記側壁と前記閉止端とが互いと物理的に接触しており、前記複数の組立要素が、前記外部極片、前記側壁、及び前記閉止端を物理的接触で一体的に保持するために、前記外部極片、前記カップの前記側壁、及び前記カップの前記閉止端において、前記第1の複数の穴、前記第2の複数の穴、及び前記第3の複数の穴を通って延びる、請求項5に記載のエンドホール・イオン源装置。
- 前記陽極又は前記反射体の面のうちの1つ又は複数が光学的に粗くされる、請求項1に記載のエンドホール・イオン源装置。
- 前記陽極又は前記反射体を向く前記外部極片又は前記カップの面が光学的に粗くされる、請求項1に記載のエンドホール・イオン源装置。
- (a)開放されたままとされる第1の端、第2の端、及び側部を有する放電領域を提供するステップと、
(b)電子放出手段を提供し、前記電子放出手段を前記放電領域の外側に配置するステップと、
(c)陽極を提供し、前記側部における前記放電領域を前記陽極で包囲するステップと、
(d)反射体を提供し、前記第2の端における前記放電領域を前記反射体で包囲するステップと、
(e)イオン化可能ガスを前記放電領域へと導入するための手段を提供するステップと、
(f)磁気透過性の内側極片を提供し、前記内側極片を、前記放電領域の前記第2の端の外側で、前記反射体の近くに配置するステップと、
(g)磁気透過性で熱伝導性の外部極片を提供し、前記外部極片を、前記放電領域の前記第1の端の周りで、前記陽極と前記電子放出手段との間に配置するステップと、
(h)前記内部極片と前記外部極片との間に磁気透過性経路を提供するステップと、
(i)磁場発生手段を提供し、前記磁場発生手段を前記磁気透過性経路に配置するステップと、
(j)開放端、側壁、及び閉止端を有し、流体が通って流れることができる内部通路を有する熱伝導性の低ミクロ硬度のカップを提供するステップと、
(k)前記閉止端のある前記カップを、前記反射体と前記内部極片との間に配置するステップであって、前記側壁が、前記陽極を包囲し、前記外部極片と接触している、ステップと、
(l)前記カップの前記側壁を前記外部極片に対して保持するための組立手段を提供するステップと
を含む、エンドホール・イオン源を構築するための方法。 - 前記側壁と前記閉止端とが互いから分離可能であり、前記側壁及び前記閉止端の少なくとも一方が低ミクロ硬度を有する、請求項13に記載の方法。
- 前記外部極片が自身を貫く第1の複数の穴を備え、前記側壁が、第1の熱膨張係数と、前記第1の複数の穴にそれぞれ対応する位置に第2の複数の穴とを有し、前記閉止端が、前記第2の複数の穴にそれぞれ対応する位置に第3の複数の穴を有し、前記組立手段が、前記第1の膨張係数より小さい第2の熱膨張係数を有する複数の組立要素を備え、前記組立要素が、前記閉止端、前記側壁、及び前記外部極片を一体的に保持するために、前記第1の複数の穴、前記第2の複数の穴、及び前記第3の複数の穴を通って延びる、請求項14に記載の方法。
- 前記陽極又は前記反射体の1つ又は複数の面が光学的に粗くされる、請求項13に記載の方法。
- 前記陽極又は前記反射体に曝される前記外部極片又は前記カップの面が光学的に粗くされる、請求項13に記載の方法。
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