JP2018032568A - ホローカソード及びこれに用いられる電子放出部材 - Google Patents

Abstract

【課題】電子放出部材の寿命を短くすることなく、且つ、プラズマ生成用ガスの必要量を抑えつつ、密度の高いプラズマを生成する。【解決手段】加熱されることにより電子を放出する電子放出部材１０を備えたホローカソード１００において、電子放出部材１０が、プラズマ生成用ガスが流れる内部流路１０Ｌを有し、内部流路１０Ｌ内で生成したプラズマ中の電子が内部流路１０Ｌのプラズマ生成用ガスの流れに対する下流側開口１０ａから引き出されるものであって、内部流路１０Ｌが、プラズマ生成用ガスの流れに対する上流側開口１０ｂの面積よりも小さい断面積を有する絞り部１０Ｌ１を備えるようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、例えばイオンビーム照射装置のイオン源等に用いられるホローカソード及びこれに用いられる電子放出部材に関するものである。

この種のホローカソードは、特許文献１に示すように、加熱されることにより電子を放出する筒状の電子放出部材を備えたものがある。この電子放出部材は、内部空間がプラズマ生成用ガスが流れる内部流路として形成されている。これにより、内部流路にプラズマ生成用ガスを流すとともに、電子放出部材を加熱することで、電子放出部材の内部空間にプラズマを生成することができる。

上述した構成において、生成されるプラズマの密度を高くするためには、電子放出部材から放出される電子を増やす必要があり、そのためには加熱温度を高くするか、電子放出部材から電子が放出される面積、すなわち電子放出部材の内周面の面積を大きくする必要がある。

しかしながら、加熱温度を高くした場合、電子放出部材の昇華などにより、電子放出部材の寿命が短くなるという問題がある。

一方、電子放出部材の内周面の面積を大きくする場合、特許文献１に示される電子放出部材は内径が一定であるので、内周面の面積を大きくしようとすると、内部流路を大径化させることになる。そうすると、大径化前とプラズマ生成用ガスの導入量が同じでは、内部流路の内圧が低くなり、放電が起きない恐れがあったり、放電が起きたとしてもプラズマ密度が低くなってしまう。そのため、プラズマ密度を高くするためには、内部流路の内圧をある程度高くすべく、プラズマ生成用ガスの導入量を増やさなければならないという問題が生じる。

これに対して、内部流路を大径化しつつ、プラズマ生成用ガスの導入量を抑える構成としては、内部流路の下流側開口をオリフィスが形成されたオリフィス板で塞ぐことで、プラズマ生成用ガスをオリフィスで絞り、内部流路の内圧をある程度高く保つ構成が考えられる。
しかしながら、この構成では、内部流路の下流側開口をオリフィス板で塞いでいるので、内部流路で発生したプラズマがオリフィス板に接触して消失してしまい、結局のところ内周面の面積を大きくした割には高いプラズマ密度を得ることはできない。

特開２０１６−１２２５９３号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決すべくなされたものであって、電子放出部材の寿命を短くすることなく、且つ、プラズマ生成用ガスの必要量を抑えつつ、密度の高いプラズマを生成できるようにすることをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係るホローカソードは、加熱されることにより電子を放出する電子放出部材を備えたものにおいて、前記電子放出部材が、プラズマ生成用ガスが流れる内部流路を有し、前記内部流路内で生成したプラズマ中の電子が前記内部流路の前記プラズマ生成用ガスの流れに対する下流側開口から引き出されるものであって、前記内部流路が、前記プラズマ生成用ガスの流れに対する上流側開口の面積よりも小さい断面積を有する絞り部を備えていることを特徴とするものである。

このように構成されたホローカソードであれば、内部流路が、上流側開口の面積よりも小さい断面積を有する絞り部を備えているので、プラズマ生成用ガスの流れに対して絞り部が抵抗となり、内部流路の内圧が低下することを防ぐことができる。これにより、プラズマ生成用ガスの必要量を抑えつつ、内部流路の内圧を高く保つことができる。
そのうえ、絞り部の断面積よりも上流側開口の面積の方が大きいところ、内部流路の断面積は絞り部から上流側開口に向かって大きくなるので、内径が一定の電子放出部材を用いた場合に比べて、電子放出部材の内周面の面積を大きくすることができる。これにより、電子放出部材の加熱温度を高くすることなく、つまり電子放出部材の寿命を低減させることなく、高密度のプラズマを生成することが可能となる。
このように、上述したホローカソードであれば、電子放出部材の寿命を短くすることなく、且つ、プラズマ生成用ガスの必要量を抑えつつ、密度の高いプラズマを生成することができる。

絞り部を容易に製造できるようにするためには、前記絞り部が、前記内部流路の前記プラズマ生成用ガスの流れに対する下流側から上流側に向かって断面積が徐々に大きくなる切頭円錐形状をなす構成が好ましい。

ところで、内部流路の上流側開口が大きいと、生成されたプラズマが上流側開口から外部に流出しやすくなり、プラズマ密度の低下を招来する恐れがある。
そこで、前記上流側開口の面積が、当該上流側開口よりも下流側における前記内部流路の断面積よりも小さいことが好ましい。
このような構成であれば、上流側開口をその下流側よりも絞ることができるので、上流側開口から外部に流出するプラズマを低減させることができる。

ホローカソードの外部でプラズマを生成する場合、このプラズマによって電子放出部材がスパッタされる恐れがある。
そこで、前記内部流路の下流側開口に対向して設けられ、厚み方向に貫通して形成されたオリフィスを有するオリフィス板をさらに備え、前記内部流路の下流側開口が、前記オリフィスよりも小さい又は略同じ大きさであることが好ましい。
このような構成であれば、外部で生成されたプラズマによる電子放出部材のスパッタをオリフィス板によって低減させることができる。そのうえ、内部流路の下流側開口をオリフィスよりも小さいか略同じ大きさにしているので、下流側開口はオリフィス板によって塞がれず、内部流路内で生成したプラズマがオリフィス板に接触して消失してしまうことを回避することができる。

また、本発明に係る電子放出部材は、ホローカソードに用いられて加熱されることにより電子を放出する電子放出部材において、プラズマ生成用ガスが流れる内部流路を有し、前記内部流路内で生成したプラズマ中の電子が前記内部流路の前記プラズマ生成用ガスの流れに対する下流側開口から引き出されるものであって、前記内部流路が、前記プラズマ生成用ガスの流れに対する上流側開口の面積よりも小さい断面積を有する絞り部を備えていることを特徴とするものである。
このように構成された電子放出部材であれば、上述したホローカソードと同様の作用効果を得ることができる。

このように構成した本発明によれば、電子放出部材の寿命を短くすることなく、且つ、プラズマ生成用ガスの必要量を抑えつつ、密度の高いプラズマを生成することができる。

本実施形態のホローカソードの構成を示す模式図。 本実施形態の電子放出部材の構成を示す断面図及び上面図。 その他の実施形態における電子放出部材の構成を示す断面図。 その他の実施形態における電子放出部材の構成を示す断面図。 その他の実施形態における電子放出部材の構成を示す断面図。

本発明に係るホローカソードの一実施形態について説明する。

本実施形態のホローカソード１００は、例えばイオンビーム照射装置のイオン源等に用いられるものであり、具体的には、図１に示すように、電子放出部材１０、オリフィス板２０、カソード支持筒３０、加熱機構４０、及びキーパ電極５０を具備している。なお、前記イオン源としては、ホローカソード１００を１つ備えていても良いし、複数備えていても良い。
以下、各部について説明する。

本実施形態のホローカソード１００は、電子放出部材１０が特徴的であるので、ここでは電子放出部材１０について簡単に説明し、詳細は後述する。
電子放出部材１０は、加熱されることにより電子を放出するものであり、図１に示すように、例えばＸｅ、Ａｒ、Ｎｅといった希ガスやＨ_２といった腐蝕性を有するプラズマ生成用ガスが流れる内部流路１０Ｌが形成されている。ここでは、例えばＬａＢ６により形成された筒状をなすものであり、その内部空間が前記内部流路１０Ｌとして形成されている。以下では、電子放出部材１０の軸Ｃに沿った方向を上下方向と規定する。
ここでは、内部流路１０Ｌに下方から上方に向かって前記プラズマ生成用ガスを流すとともに、後述の加熱機構４０によって電子放出部材１０を加熱して電子を放出させることで、内部流路１０Ｌ内にプラズマが生成されるようにしてある。つまり、プラズマ生成用ガスの流れに対する上流側は電子放出部材１０の軸Ｃに沿った下側であり、プラズマ生成用ガスの流れに対する下流側は電子放出部材１０の軸Ｃに沿った上側である。
なお、この電子放出部材１０は、図示しない電源から所定の電圧が印加されて、後述するキーパ電極５０に対するカソードとして機能する。

オリフィス板２０は、厚み方向に貫通して形成されたオリフィス２０ａを有し、例えばモリブデンなどの高融点金属からなるものであり、ここでは電子放出部材１０と一体的に設けられている。
本実施形態のオリフィス板２０は、電子放出部材１０の下流側開口１０ａを塞ぐように設けられた例えば円形状の平板であり、その外径が電子放出部材１０の外径よりも大きく、その中央に形成された前記オリフィス２０ａの中心を電子放出部材１０の軸Ｃが通過するように配置されている。

カソード支持筒３０は、前記オリフィス板２０を支持するとともに前記電子放出部材１０を内部に収容するものであり、ここでは、電子放出部材１０と同軸上に設けられた円筒状をなすものである。なお、カソード支持筒３０は、電子放出部材１０を支持さえしていれば、その形状や配置等は適宜変更して構わない。

加熱機構４０は、電子放出部材１０を加熱して該電子放出部材１０から電子を放出させるものであり、ここでは、電子放出部材１０の周囲に設けられた線状導電部材４１に通電することで、電子放出部材１０を加熱するように構成されている。

キーパ電極５０は、図示しない電源から所定の電圧が印加されて、上述した電子放出部材１０に対するアノードとして機能し、電子放出部材１０内に生成されたプラズマ中の電子を下流側開口１０ａから引き出すものである。
このキーパ電極５０は、引き出した電子を通過させる電子通過孔５０ａが形成されており、この電子通過孔５０ａが下流側開口１０ａに臨むように支持されている。

そして本実施形態では、図２に示すように、上述した電子放出部材１０の内部流路１０Ｌが、全体として軸Ｃに沿って直線状に形成されており、プラズマ生成用ガスの流れに対する上流側開口１０ｂの面積よりも小さい流路断面積を有する絞り部１０Ｌ１を有している。なお、ここでいう直線状とは、厳密な意味での直線のみを意味するのではなく、ある程度湾曲していたり、折れ曲がったりした形状を含んでいても良い。

また、ここでいう流路断面積とは、内部流路１０Ｌを軸Ｃに垂直な面で切った断面の面積のことであり、本実施形態では、この流路断面積が下流側から上流側に向かって漸次大きくなるように、絞り部１０Ｌ１を形成してある。言い換えれば、本実施形態の絞り部１０Ｌ１は、軸Ｃと電子放出部材１０の内周面１０ｓとの距離ｘが下流側から上流側に向かって徐々に長くなるように形成されている。

より具体的に説明すると、内部流路１０Ｌは、ここでは軸Ｃを回転中心とした回転体形状をなし、下流側開口１０ａ及び上流側開口１０ｂは円形状である。この内部流路１０Ｌは、下流側開口１０ａから上流側開口１０ｂまでの少なくとも一部に上述した絞り部１０Ｌ１を有していれば良いが、本実施形態では下流側開口１０ａから上流側開口１０ｂまでの内部流路１０Ｌ全体が前記絞り部１０Ｌ１として形成してある。
この絞り部１０Ｌ１は、切頭円錐形状であり、その下流側開口、すなわち内部流路１０Ｌの下流側開口１０ａは上述したオリフィス２０ａと略同じ大きさにしてある。

このように構成された本実施形態に係るホローカソード１００であれば、内部流路１０Ｌの全体が、上流側開口１０ｂの面積よりも小さい断面積を有する絞り部１０Ｌ１として形成されているので、この絞り部１０Ｌ１がプラズマ生成用ガスの流れに対する抵抗となり、内部流路１０Ｌの内圧が低下することを防ぐことができる。これにより、プラズマ生成用ガスの必要量を抑えつつ、内部流路１０Ｌの内圧を高く保つことができる。
さらに、絞り部１０Ｌ１が下流側から上流側に向かって流路断面積が大きくなるように形成されているので、内部流路１０Ｌが一定の径寸法に形成されている構成に比べて、下流側開口１０ａの大きさが同じであれば、電子放出部材１０の内周面１０ｓの面積を大きくすることができる。これにより、電子放出部材１０の加熱温度を高くすることなく、すなわち電子放出部材１０の寿命を低減させることなく、高密度のプラズマを生成することが可能となる。
このように、本実施形態に係るホローカソード１００によれば、電子放出部材１０の寿命を短くすることなく、且つ、プラズマ生成用ガスの必要量を抑えつつ、密度の高いプラズマを生成することができる。

また、内部流路１０Ｌの下流側開口１０ａを塞ぐようにオリフィス板２０を設けているので、ホローカソード１００の外部でプラズマが生成されたとしても、このプラズマによる電子放出部材１０のスパッタをオリフィス板２０によって防ぐことができる。
そのうえ、内部流路１０Ｌの下流側開口１０ａをオリフィス２０ａと略同じ大きさにしているので、下流側開口１０ａはオリフィス板２０によって塞がれておらず、内部流路１０Ｌ内で生成したプラズマがオリフィス板２０に接触してプラズマが消失してしまうことを回避することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記実施形態では、内部流路の全体が絞り部として形成されていたが、図３に示すように、内部流路１０Ｌにおける下流側開口１０ａから上流側開口１０ｂまでの一部が絞り部１０Ｌ１として形成されていても良い。
なお、このように下流側開口１０ａから上流側開口１０ｂまでの一部が絞り部１０Ｌ１として形成されている場合、絞り部１０Ｌ１の下流側において上流側から下流側に向かって内部流路１０Ｌの断面積が大きくなる部分があっても構わない。

また、図４に示すように、上流側開口１０ｂの面積が、当該上流側開口１０ｂよりも下流側における内部流路１０Ｌの断面積よりも小さくなるように構成されていても良い。
具体的にこの内部流路１０Ｌは、絞り部１０Ｌ１よりも上流側に設けられ、下流側から上流側に向かって流路断面積が小さくなる第２絞り部１０Ｌ２をさらに有している。

この第２絞り部１０Ｌ２は、下流側から上流側に向かって漸次小さくなるように、言い換えれば、軸Ｃと電子放出部材１０の内周面１０ｓとの距離ｘが下流側から上流側に向かって徐々に短くなるように形成されている。

ここでは、電子放出部材１０は、下流側に配置された下流側要素１１と上流側に配置された上流側要素１２とから構成されており、下流側要素１１に絞り部１０Ｌ１が形成されており、上流側要素１２に第２絞り部１０Ｌ２が形成されている。この第２絞り部１０Ｌ２は、絞り部１０Ｌ１と上下対称な形状をなしており、下流側から上流側開口１０ｂに到るまで流路断面積が徐々に小さくなる切頭円錐形状である。

上述した構成により、電子放出部材１０の上流側開口１０ｂ、すなわち下流側要素１１の上流側開口１０ｂをその下流側よりも絞っているので、上流側開口１０ｂから外部に流出するプラズマを低減させることができる。
また、第２絞り部１０Ｌ２を絞り部１０Ｌ１の上下対称な形状としているので、互いに同じ形状をなす一対の下流側要素１１及び上流側要素１２を互いに上下逆さまにして対向配置することで、上述した電子放出部材１０を構成することができ、製造が容易である。

なお、図４では、電子放出部材が２つの要素から構成されていたが、３つ以上の要素から電子放出部材を構成しても良い。
このように複数の要素から電子放出部材を構成する場合、少なくとも１つの要素の内部流路が、絞り部を有していれば良い。その他の要素は、内部流路が一定径のものであっても良いし、絞り部や第２絞り部を有しているものであっても良い。

ところで、内部流路の下流側開口の近傍では、電子放出部材から放出される電子により電子放出部材の内周面がスパッタされて損傷しやすい。
そこで、内部流路の下流側開口を前記実施形態よりも小さく、すなわちオリフィスよりも小さくすれば、下流側開口の近傍で電子放出部材の径方向の厚みを大きくすることができるので、上述した損傷による電子放出部材の寿命低減を防ぐことができ、電子放出部材の寿命を前記実施形態よりも延ばすことができる。

前記実施形態の絞り部は、下流側から上流側に向かって流路断面積が漸次大きくなるように構成されていたが、絞り部は、下流側から上流側に向かって流路断面積が一段階又は複数段階など段階的に大きくなるように構成されていても良い。具体的には、図５に示すように、内部流路１０Ｌの下流側及び上流側の両方が一定の径寸法であり、且つ、下流側の径寸法よりも上流側の径寸法の方が大きくなるように構成されたものが挙げられる。この構成では、内部流路１０Ｌの下流側の流路断面積が上流側開口１０ｂの面積よりも小さく、内部流路の１０Ｌの下流側が絞り部として形成されていることになる。なお、この場合においても、電子放出部材１０は、内部流路１０Ｌの径寸法が異なる複数の要素から構成されていても良い。
また、図４に示される第２絞り部１０Ｌ２に関しても、下流側から上流側に向かって流路断面積が一段階又は複数段階など段階的に大きくなるように形成されていても良い。

前記実施形態の電子放出部材には、１つの内部流路が形成されていたが、電子放出部材には、複数の内部流路が形成されていても構わない。この場合、複数の内部流路のうち、１つ又は複数又は全部が絞り部を有していれば良い。

前記実施形態の内部流路は回転体形状をなしており、流路断面は円形状であったが、流路断面は多角形状など適宜変更しても構わない。

また、オリフィス板やオリフィスの形状は適宜変更して良い。
さらに、前記実施形態の電子放出部材は、絞り部がプラズマ生成用ガスの絞り機構としての機能を発揮するところ、ホローカソードとしてはオリフィス板を備えていないものであっても良い。

前記実施形態では、キーパ電極のみが、カソードに対してアノードとしての機能を発揮するように構成されていたが、キーパ電極の上方に設けられて、高電圧が印加されるバイアス電極をさらに具備し、キーパ電極及びバイアス電極によって、プラズマ中の電子を引き寄せるように構成しても良い。
なお、キーパ電極の形状や配置等は適宜変更して良いし、ホローカソードとしては、キーパ電極を備えていないものであっても良い。

加熱機構としては、前記実施形態の構成に限られず、例えば輻射熱を利用して加熱する方式、電子放出部材を収容する例えば筒状の導電性部材に通電して加熱する方式、電子放出部材及び電子放出部材に対してアノードとして働く部材の間に高電圧を印加して加熱する方式などを用いても良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・ホローカソード
１０ ・・・電子放出部材
２０ ・・・オリフィス板
３０ ・・・カソード支持筒
４０ ・・・加熱機構
５０ ・・・キーパ電極

Claims (5)

1. 加熱されることにより電子を放出する電子放出部材を備えたホローカソードにおいて、
   前記電子放出部材が、プラズマ生成用ガスが流れる内部流路を有し、前記内部流路内で生成したプラズマ中の電子が前記内部流路の前記プラズマ生成用ガスの流れに対する下流側開口から引き出されるものであって、
   前記内部流路が、前記プラズマ生成用ガスの流れに対する上流側開口の面積よりも小さい断面積を有する絞り部を備えているホローカソード。
2. 前記絞り部が、前記内部流路の前記プラズマ生成用ガスの流れに対する下流側から上流側に向かって断面積が徐々に大きくなる切頭円錐形状をなす請求項１記載のホローカソード。
3. 前記上流側開口の面積が、当該上流側開口よりも下流側における前記内部流路の断面積よりも小さい請求項１又は２記載のホローカソード。
4. 前記内部流路の下流側開口に対向して設けられ、厚み方向に貫通して形成されたオリフィスを有するオリフィス板をさらに備え、
   前記内部流路の下流側開口が、前記オリフィスよりも小さい又は略同じ大きさである請求項１乃至３のうち何れか一項に記載されたホローカソード。
5. ホローカソードに用いられて加熱されることにより電子を放出する電子放出部材において、プラズマ生成用ガスが流れる内部流路を有し、前記内部流路内で生成したプラズマ中の電子が前記内部流路の前記プラズマ生成用ガスの流れに対する下流側開口から引き出されるものであって、
   前記内部流路が、前記プラズマ生成用ガスの流れに対する上流側開口の面積よりも小さい断面積を有する絞り部を備えている電子放出部材。