JP2022029437A - Non-contact DC ion beam source with hollow cylindrical cathode and deformation collimator - Google Patents

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Abstract

To provide a non-contact DC ion beam source that generates a high-quality ion beam having high efficiency, a long life even at a high output, and excellent stability and focusing in principle.SOLUTION: A non-contact DC ion beam source includes an ion generation device, and a neutralizing device that can accelerate ions and add electrons to electrically convert them into a neutral plasma beam. Thermions emitted from a ribbon ring-shaped thermal cathode of the ion generation device are transported to a zero magnetic field region on the central axis along the radial magnetic field of a deformed collimeter, and accelerated in the anode direction along the axial magnetic field of the first deformed collimeter. A cascade discharge near the central axis on the anode side of the orifice ionizes filling gas by using the thermion as a seed electron. The generated cations penetrate the inside of the hollow cylindrical cathode along the axial magnetic field, are accelerated to the required value by the potential applied to the ribbon ring-shaped thermal cathode in the neutralizing device, and further, the beam is neutralized by the thermions from the ribbon ring-shaped thermal cathode along the radial magnetic field of the second deformed collimator.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は充填ガスの放電によるプラズマ発生、プラズマからの陽イオンの分離とその加速、そして必要とされる場合に、加速されたイオンビームに電子を付加して電気的に中性のプラズマビームに変換するなど、粒子ビームを得る全工程を通じてイオンが陰極やグリッドその他の構造物に非接触で処理され、結果として大出力での作動でも装置の劣化が最小で集束性に優れた高品質のイオンやプラズマ等の粒子ビームを簡単な構造で、安定に発生させる高効率非接触型直流イオンビーム源に関するものである。 The present invention creates plasma by discharging the filled gas, separates cations from the plasma and accelerates them, and, if necessary, adds electrons to the accelerated ion beam to create an electrically neutral plasma beam. Ions are processed non-contact with the cathode, grid and other structures throughout the entire process of obtaining a particle beam, such as conversion, and as a result, high-quality ions with minimal deterioration of the device and excellent focusing even when operating at high output. It relates to a high-efficiency non-contact type DC ion beam source that stably generates a particle beam such as plasma or plasma with a simple structure.

各種加速器の前段イオン源や惑星間ロケットのイオンエンジン、粒子線治療等の医療利用やイオンビーム加工などの工業用途、等に利用できる種々のイオンビーム発生装置が開発されてきた。中でも古典的なガイスラー放電管の方式は真空容器中で陰極板と陽極板の間に直流電位差を印加するという最も簡単な構造で、充填ガスのイオン化装置の原点であり、プラズマ生成やイオン加速器などのイオン源として今なお広く採用されている。その後、充填ガスのプラズマ放電に関して、より高効率のイオン源や磁場中無電極の高周波プラズマ源など種々の方法が開発されてきた。例えば、特許文献1には、励磁面を備えた励磁電極を有する高周波電極装置と、イオンの抽出電極に高周波電場を印加し、電磁界によって生成されたプラズマビームを抽出して正のプラズマイオンを加速し、プラズマビームを取り出す技術が記載されている。 Various ion beam generators have been developed that can be used for pre-stage ion sources of various accelerators, ion engines for interplanetary rockets, medical applications such as particle beam therapy, and industrial applications such as ion beam processing. Among them, the classic Geissler discharge tube method has the simplest structure of applying a DC potential difference between the cathode plate and the anode plate in a vacuum vessel, and is the origin of the ionizing device for filled gas, and ions such as plasma generation and ion accelerators. It is still widely used as a source. Since then, various methods have been developed for plasma discharge of the filling gas, such as a more efficient ion source and a high-frequency plasma source having no electrode in a magnetic field. For example, Patent Document 1 describes a high-frequency electrode device having an exciting electrode provided with an exciting surface, and a high-frequency electric field applied to an ion extraction electrode to extract a plasma beam generated by an electromagnetic field to generate positive plasma ions. Techniques for accelerating and extracting plasma beams are described.

しかしながら、最も簡単な構造のガイスラー方式による直流放電や高能率にプラズマを作り出す磁場中の高周波電磁波によるイオンの発生方法などでは充填ガスの放電で得られるイオンを加速するためにプラズマから陽イオンを分離摘出する際や、加速した陽イオンをシステムから取り出す際には、陰極板に設けられた孔から漏れ出すイオンビームの一部分のみを採用するか、高周波電場で生成されるプラズマからメッシュ陰極を透してイオンを引き出す等の手法が用いられ、イオンが陰極などの構造物等に衝突する結果としてのエネルギー損失や装置の劣化が不可避である。すなわち加速されたビーム粒子の構造物への衝突によって、その分だけイオンビーム粒子生成の効率が損なわれ、長時間にわたる稼働で加熱焼鈍による構造体の変形や、大きな運動量のイオンが構造物を照射することで金属製構造体等に脆性や形状変化をもたらすなどの問題がある。 However, with the Geisler method, which has the simplest structure, and the method of generating ions by high-frequency electromagnetic waves in a magnetic field that creates plasma with high efficiency, cations are separated from the plasma in order to accelerate the ions obtained by the discharge of the filling gas. When extracting or extracting accelerated cations from the system, only a part of the ion beam leaking from the holes provided in the cathode plate is adopted, or the mesh cathode is passed through the plasma generated by a high-frequency electric field. A method such as drawing out ions is used, and energy loss and deterioration of the device are inevitable as a result of the ions colliding with a structure such as a cathode. That is, due to the collision of the accelerated beam particles with the structure, the efficiency of ion beam particle generation is impaired by that amount, the structure is deformed by heating and quenching during long-term operation, and ions with a large momentum irradiate the structure. This causes problems such as brittleness and shape change in metal structures and the like.

さらに陰極等へのイオンの衝突や接触がある場合、イオンビームは多少なりとも構造材料の蒸発やスパッタリング等に由来する不純物を含むので、用途によってはイオンビームとしての品質劣化が危惧されるが、本発明はこれに対する有効な解決法を提供するものでもある。またイオンビームの一つの利用方法として期待される、将来のナノテクノロジーのビーム加工技術のためには集束性に優れ、超精密な加工にするイオンビームの生成が望まれるが、従来の方法によればイオン発生点の分散性に由来するビーム粒子の径方向への発散がビーム加工技術の向上の妨げの一因になる。 Furthermore, if there is collision or contact of ions with the cathode, etc., the ion beam contains impurities derived from evaporation of structural materials, sputtering, etc., so there is a concern that the quality of the ion beam may deteriorate depending on the application. The invention also provides an effective solution to this. In addition, for future nanotechnology beam processing technology, which is expected to be one of the methods of using ion beams, it is desired to generate ion beams that have excellent focusing properties and make ultra-precise processing. For example, the radial emission of beam particles due to the dispersibility of ion generation points is one of the factors that hinder the improvement of beam processing technology.

特開2016-35925号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-35925

本発明は、真空容器中での陽極板と陰極板のみという最も簡単な構造のガイスラー放電管での電子加速による充填ガスのカスケード放電による直流プラズマ発生の方法を踏襲して、別個の発振器等の交流機器や電波の遮蔽を必要としない直流放電によるプラズマの発生、陽イオンを分離しての直線的な加速、そして必要に応じて陽イオンビームに電子を付加して電気的に中性の直流粒子ビームに変換するに至る全工程を通じてイオンが陰極その他の構造物に非接触のままで処理され、高い総合エネルギー効率、大出力、構造の簡素化のための定常運転、さらにビームの集束性や長時間運転での安定性などの点で優れた性能を持つ非接触型直流イオンビーム源の原理を提供する。 The present invention follows the method of generating DC plasma by cascade discharge of filled gas by electron acceleration in a Geisler discharge tube having the simplest structure of only an anode plate and a cathode plate in a vacuum vessel, and separate oscillators and the like. Plasma is generated by DC discharge that does not require AC equipment or shielding of radio waves, linear acceleration by separating cations, and if necessary, electrons are added to the cation beam to make an electrically neutral DC. Throughout the entire process leading to the conversion to a particle beam, the ions are processed without contacting the cathode and other structures, resulting in high total energy efficiency, high output, steady operation for structural simplification, and beam focusing. It provides the principle of a non-contact DC ion beam source with excellent performance in terms of stability during long-term operation.

本発明によれば、上記課題を解決するため、中空円筒陰極、及びリボン輪状熱陰極と変形コリメータ磁場との組み合わせセットをイオン生成装置及び中和装置の双方に活用した下記(〔1〕~〔7〕)の構成の非接触型直流イオンビーム源が提供される。ここで提案する組み合わせセットは、リボン輪状熱陰極と変形コリメータ磁場との組み合わせでユニットが構成され、このユニットの磁場は、変形コリメータ磁場の中心軸上で軸方向の磁場がゼロとなり、このゼロ磁場領域からゼロ磁束の曲面に沿って磁場が径方向に拡がり、リボン輪状熱陰極内面で熱電子発生領域に繋がっている。この熱電子発生領域は、陰極の内側表面とゼロ磁束の曲面とが交差するドメインであり、陰極表面で熱電子を放出すべく酸化物処理を施している。イオン生成装置Aではこのセットは熱電子流を発生させて、これを中心軸上ゼロ磁場領域に転送し、これを陽極に向かって軸方向の電子流に変化させるという本発明での最も重要な機能の一つを分担する。 According to the present invention, in order to solve the above problems, the following ([1] to [] utilizing the hollow cylindrical cathode and the combination set of the ribbon ring-shaped hot cathode and the deformed collimeter magnetic field for both the ion generator and the neutralizing device. A non-contact DC ion beam source having the configuration of 7]) is provided. In the combination set proposed here, the unit is composed of a combination of a ribbon ring-shaped hot cathode and a deformed collimeter magnetic field, and the magnetic field of this unit has zero axial magnetic field on the central axis of the deformed collimeter magnetic field, and this zero magnetic field. A magnetic field spreads radially from the region along the curved surface of zero magnetic flux, and is connected to the thermoelectron generation region on the inner surface of the ribbon ring-shaped thermal cathode. This thermionic generation region is a domain where the inner surface of the cathode and the curved surface of zero magnetic flux intersect, and the cathode surface is subjected to oxide treatment to emit thermions. In the ion generator A, this set generates a thermionic flow, transfers it to the zero magnetic field region on the central axis, and changes it into an axial electron flow toward the anode, which is the most important in the present invention. Share one of the functions.

本組み合わせセットの変形コリメ―タ磁場は、図4に示す逆方向ヘルムホルツコイルによる磁場では、コイル中心に比較的に広いゼロ磁場領域を持つユニットを構成できる。また図5の、コイル中心にゼロ磁場領域を持つ典型的なものであるカスプ磁場でも、より簡単な変形コリメータ磁場によるユニットを構成できる。イオンビームの目的、用途によって、どちらか適した変形コリメータ磁場によるユニットを選択することができる。 The modified collimator magnetic field of this combination set can form a unit having a relatively wide zero magnetic field region at the center of the coil in the magnetic field by the reverse Helmholtz coil shown in FIG. Further, even in the cusp magnetic field, which is a typical one having a zero magnetic field region at the center of the coil shown in FIG. 5, a unit with a simpler deformed collimator magnetic field can be configured. Depending on the purpose and application of the ion beam, a unit with a deformed collimator magnetic field suitable for either can be selected.

[1]本発明は軸対称で充填ガスを電離しそこからイオンを抽出するイオン発生装置と、そこで得られたイオンを装置の陰極にマイナス電位を印加することで必要とされるエネルギーに加速させ、必要な場合にはこれに電子を付加して電気的に中性のプラズマビームに変換させる中和装置とが真空容器内で同一の軸上に設置され、両者が磁力線で繋がった、イオンビームを提供するシステムである。 [1] The present invention is an ion generator that ionizes the filling gas in an axially symmetric manner and extracts ions from the ion generator, and the ions obtained there are accelerated to the required energy by applying a negative potential to the cathode of the device. If necessary, a neutralizing device that adds electrons to this to electrically convert it into a neutral plasma beam is installed on the same axis in the vacuum vessel, and both are connected by magnetic lines of force, an ion beam. Is a system that provides.

[2]イオン発生装置での第1のリボン輪状熱陰極14の内面はゼロ磁束曲面と交差する線とその近傍で、熱電子放出を容易にすべく酸化物処理が施されたセットが装備されている。この領域からの放出熱電子は変形コリメータの径方向磁場に沿って径方向の磁場によって中心軸近傍のゼロ磁場領域に転送され、ここから変形コリメータ軸方向磁場方向の電場によって種電子として陽極方向に加速され、充填ガスの電離に十分なエネルギーに加速された領域で、カスケード放電を誘発する。 [2] The inner surface of the first ribbon ring-shaped hot cathode 14 in the ion generator is equipped with a line intersecting the zero magnetic flux curved surface and a set in the vicinity thereof which has been subjected to oxide treatment to facilitate thermionic emission. ing. The thermions emitted from this region are transferred to the zero magnetic field region near the central axis by the radial magnetic field along the radial magnetic field of the deformation collimator, and from here, the electric field in the axial magnetic field direction of the deformation collimeter causes the seed electrons in the anode direction. Induces a cascade discharge in a region that is accelerated and accelerated to sufficient energy for ionization of the filling gas.

[3]イオン発生装置の陽極と同軸の中空円筒陰極の間の中心軸近傍の直流電界によるカスケード放電で生じるイオンは変形コリメータの軸方向磁場に沿って陰極の方向にカスケード放電で生じるイオンは変形コリメータの軸方向磁場に沿って陰極の方向に加速され、慣性でもってゼロ磁場領域を通過すると同時に軸方向磁場に沿って非接触で中空円筒陰極の中空内部を貫通してイオン発生装置から中和装置の側に放出される。 [3] Ions generated by cascade discharge due to DC electric field near the central axis between the anode of the ion generator and the hollow cylindrical cathode coaxial with the anode are deformed along the axial magnetic field of the collimeter in the direction of the cathode. Accelerated in the direction of the cathode along the axial magnetic field of the collimator, it passes through the zero magnetic field region by inertia, and at the same time, it penetrates the hollow interior of the hollow cylindrical cathode in a non-contact manner along the axial magnetic field and neutralizes from the ion generator. It is discharged to the side of the device.

[4]前記イオン発生装置のカスケード放電領域での放電に必要な充填ガスのガス圧と、イオンの加速領域や中和装置での充填ガスとの荷電交換その他の衝突を避けるために要請される低いガス圧との圧力差がオリフィス15を介しての差動排気によって保持される。イオンの発生場所は比較的に高い電位であり、結果としてイオンがゼロ磁場領域を慣性で素通りし、結果としてリボン輪状熱陰極へ電場に従う方向のイオンの逆流が抑えられる。 [4] It is required to avoid charge exchange and other collisions between the gas pressure of the filling gas required for discharging in the cascade discharge region of the ion generator and the filling gas in the ion acceleration region and the neutralizing device. The pressure difference from the low gas pressure is maintained by the differential exhaust through the orifice 15. The place where the ions are generated has a relatively high potential, and as a result, the ions pass through the zero magnetic field region by inertia, and as a result, the backflow of the ions in the direction following the electric field to the ribbon ring-shaped hot cathode is suppressed.

[5]中和装置での第2のリボン輪状熱陰極24に印加される中空円筒陰極13との電位差でイオンは必要な値にまで加速される。 [5] Ions are accelerated to a required value by the potential difference from the hollow cylindrical cathode 13 applied to the second ribbon ring-shaped hot cathode 24 in the neutralizer.

[6]必要とされる場合、前記イオン流の加速のための中和装置での第2のリボン輪状熱陰極24と変形コリメータの組合せのセットを作動させ、そこから放出される熱電子を変形コリメータの径方向磁力線に沿って中心軸磁上のゼロ磁場領域に転送させて変形コリメータ中心軸近傍の陽イオンビームに吸収、電気的に中和させてイオンビームを電気的に中性の粒子ビームに変換させる。 [6] If required, activate a set of combinations of a second ribbon ring-shaped hot cathode 24 and a deformation collimeter in the neutralizer for accelerating the ion flow to deform thermions emitted from it. Transferred to the zero magnetic field region on the central axis along the radial magnetic field line of the collimeter, absorbed by the cation beam near the center axis of the deformed collimeter, and electrically neutralized to make the ion beam an electrically neutral particle beam. To convert to.

[7]中和装置でのイオンの中性化に際してイオン発生装置側への電子の逆流を防ぐため、第2のリボン輪状熱陰極に対して40~50ボルト程度のマイナス電位のサプレッサ電極23を同軸で変形コリメータ磁場零点の上流(陽極側)に設置する。 [7] In order to prevent backflow of electrons to the ion generator side during ion neutralization in the neutralizer, a suppressor electrode 23 having a negative potential of about 40 to 50 volts is attached to the second ribbon ring-shaped hot cathode. Coaxially installed on the upstream side (anode side) of the deformation collimeter magnetic field zero point.

本発明の非接触型直流イオンビーム源は、イオンの発生から直線的な加速、そして中性化されてプラズマビームとして中和装置から放出されるまでの全工程を通じて粒子ビームの操作は定常作動であり、全工程を通じて粒子は部分的にも構造物に接続ないし接触することがなく、従って原理的に高効率、大出力で長時間にわたって安定に作動し、また集束性に優れた高品質で長寿命の直流粒子ビームを提供する。その応用分野は具体的には
(1)広い熱電子放出領域と後述の逆方向ヘルムホルツコイルとを組みあわせたシステムはビーム半径が大きく、大出力イオンビームの生成に適しており、惑星間ロケットに中和化したイオンビームを適用した場合に、高効率、大出力でも超長時間にわたって安定した運転が可能な高性能イオンエンジンが得られる。
(2)イオン発生装置での第1のリボン輪状熱陰極の内面は部分的に熱電子放出を容易にすべく酸化物処理が施される。この領域からの放出熱電子は変形コリメータの径方向磁場に沿って径方向零領域に転送される。種々のイオン加速器の初段イオン源また将来的には、ホウ素中性子捕捉療法(BNCT)のための重水素プラズマの対向ビームによる核融合反応による低ノイズ大出力熱中性子の供給に応用され得る。
(3)細い熱電子放出領域とカスプコイルと組み合わせたシステムでは種電子は中心軸上に供給され、したがってイオンの発生場所は中心軸上である。結果として得られるイオンは磁力線方向のみの速度成分で、イオンビーム柱外へのビーム粒子の拡散がなく結果的に強い集束性を保持する、等イオンビーム加工技術のサブ・ナノメーター級の超精密な粒子ビーム技術の一つの基盤を提供する。装置は軸対象であり、故に十分な高真空のもとでは荷電粒子の正準角運動量が保存され、軸方向静電場で加速されたプラズマやイオン等の粒子ビームの円柱は対象軸を中心としており、そのビーム柱の直径はイオンの軸発生場所で無関係に粒子の存在するその場所での磁束密度に反比例する。換言すれば中心軸を中心とするビーム半径が非常に明確に磁束密度で決定され、その外側へ散逸するビーム粒子はゼロである。
等々多方面にわたって、それぞれの分野の根源的な技術発展を齎すものである。
In the non-contact type DC ion beam source of the present invention, the operation of the particle beam is a steady operation throughout the entire process from ion generation to linear acceleration and neutralization to emission from the neutralizer as a plasma beam. Throughout the entire process, the particles do not partially connect to or contact the structure, so in principle they are highly efficient, have high output, operate stably over a long period of time, and are of high quality and long with excellent focusing properties. Provides a lifetime DC particle beam. The fields of application are specifically: (1) A system that combines a wide thermionic emission region and a reverse Helmholtz coil, which will be described later, has a large beam radius and is suitable for generating high-power ion beams, making it suitable for interplanetary rockets. When a neutralized ion beam is applied, a high-performance ion engine capable of stable operation for an ultra-long time even with high efficiency and high output can be obtained.
(2) The inner surface of the first ribbon ring-shaped hot cathode in the ion generator is partially subjected to oxide treatment to facilitate thermionic emission. The thermions emitted from this region are transferred to the radial zero region along the radial magnetic field of the deformation collimator. It can be applied to the first-stage ion sources of various ion accelerators and, in the future, to supply low-noise, high-power thermal neutrons by fusion reactions with opposed beams of deuterium plasma for boron neutron capture therapy (BNCT).
(3) In a system in which a thin thermionic emission region and a cusp coil are combined, seed electrons are supplied on the central axis, and therefore the ion generation location is on the central axis. The resulting ions are velocity components only in the direction of the magnetic field lines, and the beam particles do not diffuse out of the ion beam column, resulting in a strong focusing property. It provides one of the foundations of various particle beam technologies. The device is axially symmetric, so the canonical momentum of charged particles is conserved under sufficient high vacuum, and the cylinder of the particle beam of plasma, ions, etc. accelerated by the axial electrostatic field is centered on the symmetric. The diameter of the beam column is inversely proportional to the magnetic flux density at the location where the particles are present, regardless of where the ion axis is generated. In other words, the beam radius around the central axis is very clearly determined by the magnetic flux density, and there are no beam particles dissipating to the outside.
It brings about the fundamental technological development of each field in various fields such as.

本発明の一実施形態の非接触型直流イオンビーム源の概略構成を示す図である。It is a figure which shows the schematic structure of the non-contact type DC ion beam source of one Embodiment of this invention. 非接触型直流イオンビーム源におけるコイル及び電極の配置並びに作用を示す図である。It is a figure which shows the arrangement and operation of a coil and an electrode in a non-contact type DC ion beam source. 非接触型直流イオンビーム源の電極系とイオンビーム、プラズマビームの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the electrode system of a non-contact type DC ion beam source, an ion beam, and a plasma beam. 反平行ヘルムホルムコイルを用いて形成される変形コリメータ磁場の磁力線の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the magnetic force line of the deformation collimator magnetic field formed by using the antiparallel Helmholm coil. カスプ磁場を形成する対コイルを用いて形成される変形コリメータ磁場の磁力線の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the magnetic force lines of the deformation collimator magnetic field formed by using the pair coil which forms the cusp magnetic field. 円錐型陽極と中空円筒陰極による電位の分布(等電位線)を示す図である。It is a figure which shows the potential distribution (the line of electric potential) by a conical anode and a hollow cylindrical cathode. 各電極に電圧(電位)を印加するための電源等を示す図である。It is a figure which shows the power source for applying a voltage (potential) to each electrode. 本発明の実施形態におけるイオン発生装置の電極とイオン流との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the electrode of the ion generator and the ion flow in embodiment of this invention. 非接触型直流イオンビーム源における電極、コイル、イオンビームと中性粒子の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between an electrode, a coil, an ion beam and a neutral particle in a non-contact type DC ion beam source. イオン発生装置における電極とイオン流との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between an electrode and an ion flow in an ion generator.

以下、本発明に係る非接触型直流イオンビーム源を実施形態に基づき説明する。 Hereinafter, the non-contact type DC ion beam source according to the present invention will be described based on the embodiment.

本発明の一実施形態に係る非接触型直流イオンビーム源はその概略を図1に示すように、構成はイオン発生装置Aと中和装置Bとが磁場によって同軸に繋がっている。また、図2に、この非接触型直流イオンビーム源のコイル及び電極の配置並びに作用を示す。また、図3に、この非接触型直流イオンビーム源の電極系とイオンビーム、プラズマビームの関係を示す。イオン発生装置Aでの変形コリメータのゼロ磁束面上の径方向磁場は、同軸で中空のリボン輪状熱陰極の内側表面でゼロ磁束の曲面と交差する線とその近傍は熱電子を放出すべく例えばLADスキャンデート等の酸化物処理が施される。この領域から放出される熱電子は径方向磁場に沿って中心軸近傍のゼロ磁場領域に転送される。電子は軸近傍で変形コリメータ軸方向磁場方向の電場によって陽極に向かって加速され、充填ガスのカスケード電離のための種電子として充填ガスの放電に寄与する。 As the outline of the non-contact DC ion beam source according to the embodiment of the present invention is shown in FIG. 1, the ion generator A and the neutralizing device B are coaxially connected by a magnetic field. Further, FIG. 2 shows the arrangement and operation of the coil and the electrode of this non-contact type DC ion beam source. Further, FIG. 3 shows the relationship between the electrode system of this non-contact type DC ion beam source, the ion beam, and the plasma beam. The radial magnetic field on the zero magnetic flux plane of the deformation collimeter in the ion generator A is, for example, the line intersecting the curved surface of the zero magnetic flux on the inner surface of the coaxial and hollow ribbon ring-shaped hot cathode and its vicinity to emit thermions. Oxide treatment such as LAD scan date is applied. Thermions emitted from this region are transferred along the radial magnetic field to the zero magnetic field region near the central axis. Electrons are accelerated toward the anode by an electric field in the direction of the deformation collimator axial magnetic field near the axis, and contribute to the discharge of the filling gas as seed electrons for cascade ionization of the filling gas.

イオン発生装置Aは、所定のガスが充填された円筒状の真空容器01内に軸対象軸上の円錐型陽極12と、中心軸上に陽極と離間して下流側に設けられる中空円筒陰極13ならびに陽極と中空円筒陰極の間で中空円筒陰極の近傍に設けられる第1のリボン輪状熱陰極14の陽極側カスケード放電領域の下流側(陰極側)にオリフィス15が設けられている。中心軸上のオリフィス15は、同軸で中空円筒陰極近辺から陽極側に、電位が充填ガスの第一電離電位より若干高くなる場所に設置される。充填ガスの現実的なスケールでの電離のためにはカスケード放電領域でのある程度の充填ガスが必要で、それ以外の場所では荷電交換を避けるため等の超高真空が必要で、このオリフィスは作動排気によってこの圧力差を定常的に維持するためのものである。 The ion generator A has a conical anode 12 on the axis target axis in a cylindrical vacuum vessel 01 filled with a predetermined gas, and a hollow cylindrical cathode 13 provided on the central axis on the downstream side away from the anode. Further, an orifice 15 is provided on the downstream side (cathode side) of the anode side cascade discharge region of the first ribbon ring-shaped hot cathode 14 provided in the vicinity of the hollow cylindrical cathode between the anode and the hollow cylindrical cathode. The orifice 15 on the central axis is coaxially installed from the vicinity of the hollow cylindrical cathode to the anode side at a position where the potential is slightly higher than the first ionization potential of the filling gas. A certain amount of filling gas in the cascade discharge region is required for ionization of the filling gas on a realistic scale, and an ultra-high vacuum such as to avoid charge exchange is required elsewhere, and this orifice operates. This is to maintain this pressure difference constantly by exhaust gas.

前述のように、イオン発生装置Aにおいて、第1の変形コリメータ磁場を形成する対のコイル17が設けられるが、この対コイルは電子流のリダイレクター(方向変換器)として機能する。即ち、中心軸近傍でのゼロ磁束面上の径方向磁力線がゼロ磁場近くの領域で軸方向の磁力線に繋がっており、第1のリボン輪状熱陰極からの熱電子流が変形コリメータの径方向磁場に沿ってゼロ磁場の領域に到達し、この領域で軸方向の電場によって、軸方向磁力線に沿って陽極方向に加速される。 As described above, in the ion generator A, a pair of coils 17 forming a first deformation collimator magnetic field is provided, and the pair of coils functions as an electron flow redirector (direction converter). That is, the radial magnetic force lines on the zero magnetic flux plane near the central axis are connected to the axial magnetic force lines in the region near the zero magnetic field, and the thermionic flow from the first ribbon ring-shaped hot cathode is the radial magnetic field of the deformation collimeter. It reaches a region of zero magnetic field along and is accelerated in the anode direction along the axial magnetic field lines by an axial electric field in this region.

本実施形態では、図1に示すように、第1の磁場発生コイル17として一様磁場中、中心でそれを打ち消す方向に設置されるヘルムホルツコイル(以後これを反平行ヘルムホルツコイルと称する)を基礎として構成されるが、用途によって、カスプ磁場コイルを基礎として形成することも可能である。図4に、反平行ヘルムホルムコイルを用いた場合に形成される変形コリメータ磁場の磁力線の例を示し、図5に、カスプ磁場を形成するコイルを用いた場合に形成される磁力線の例を示す。いずれの場合も、磁力線は中心軸を対称軸とする磁場ペアコイルの中心近傍は磁場がゼロの領域で、磁力線はここからゼロ磁束の曲面の上で径方向にひろがっている。 In the present embodiment, as shown in FIG. 1, a Helmholtz coil (hereinafter referred to as an antiparallel Helmholtz coil) installed as a first magnetic field generating coil 17 in a direction of canceling it at the center in a uniform magnetic field is used as a basis. However, depending on the application, it can also be formed on the basis of a cusp magnetic field coil. FIG. 4 shows an example of the magnetic force lines of the deformed collimator magnetic field formed when the antiparallel Helmholm coil is used, and FIG. 5 shows an example of the magnetic force lines formed when the coil forming the cusp magnetic field is used. .. In either case, the magnetic force lines are in the region where the magnetic field is zero near the center of the magnetic field pair coil whose central axis is the axis of symmetry, and the magnetic force lines extend radially on the curved surface of the zero magnetic flux from here.

前者の変形コリメータ磁場は大容量のイオンビーム源に適しており、後者はより精密なイオンビーム加工のための高集束イオンビーム源に適している。イオン発生装置Aでは、中空円筒陰極13の陽極側直近にゼロ磁場の領域が形成されており、第1のリボン輪状熱陰極の内側でゼロ磁束面との交差線近傍で(熱電子放出のための)表面酸化物処理をした領域とこのゼロ磁場の領域とが径方向磁力線によって軸方向磁場と連結しており、熱電子をこの領域に注入することを可能にしている。 The former deformed collimator magnetic field is suitable for large capacity ion beam sources, and the latter is suitable for highly focused ion beam sources for more precise ion beam processing. In the ion generator A, a region of zero magnetic field is formed in the vicinity of the anode side of the hollow cylindrical cathode 13, and inside the first ribbon ring-shaped hot cathode near the intersection with the zero magnetic flux surface (due to thermionic emission). The region treated with surface oxide and the region of this zero magnetic field are connected to the axial magnetic field by radial magnetic field lines, which makes it possible to inject thermions into this region.

これまでの例では、変形コリメータ磁場発生のための対コイル17として反平行ヘルムホルツコイルが採用されており、中心軸上にゼロ磁場の領域が形成され、この領域で軸方向磁場が径方向磁場に繋がって、磁場に沿っての電子流を軸方向の流れに変換させる。図4の反平行ヘルムホルツコイル型変形コリメータでの磁場の強さはゼロ磁場の点からの距離の四乗に比例しており、図5のカスプ磁場型の場合には距離に比例している。従ってこの変形コリメータ磁場コイルの選択は熱電子放射領域の広さの選択と相まってゼロ磁場領域のサイズ、敷いてはビーム径とビーム流量の選択に関係する。 In the examples so far, the antiparallel Helmholtz coil is adopted as the pair coil 17 for generating the deformation collimator magnetic field, and a region of zero magnetic field is formed on the central axis, and the axial magnetic field becomes the radial magnetic field in this region. Connected to convert the electron flow along the magnetic field into an axial flow. The strength of the magnetic field in the antiparallel Helmholtz coil type deformation collimator of FIG. 4 is proportional to the fourth power of the distance from the point of the zero magnetic field, and in the case of the cusp magnetic field type of FIG. 5, it is proportional to the distance. Therefore, the selection of this deformed collimator magnetic field coil is related to the size of the zero magnetic field region, and the selection of the beam diameter and the beam flow rate, coupled with the selection of the size of the thermionic radiation region.

図6に円錐型陽極12と中空円筒陰極13による電位の分布(等電位線)を示す軸方向に磁場(変形コリメータの軸方向磁場)を印加することで電子の運動が中心軸近傍での磁力線方向のみに制限される結果、電子が磁場を横切る円筒電極尖端からの直流放電が抑制される。本発明によれば、第1の磁場発生コイル17によるリボン輪状熱陰極からの熱電子は径方向磁力線に沿って移動し、中心軸近傍に転送されゼロ磁場の領域での電場によって軸方向の電子流に変換され、種電子として陽極に向かって加速される。 By applying a magnetic field (axial magnetic field of the deformation collimator) in the axial direction showing the potential distribution (isopotential line) by the conical anode 12 and the hollow cylindrical cathode 13 in FIG. 6, the movement of electrons is caused by the magnetic field line near the central axis. As a result of being restricted only in the direction, the DC discharge from the tip of the cylindrical electrode where electrons cross the magnetic field is suppressed. According to the present invention, the thermions from the ribbon ring-shaped hot cathode by the first magnetic field generating coil 17 move along the radial magnetic field lines, are transferred to the vicinity of the central axis, and are axial electrons by the electric field in the region of zero magnetic field. It is converted into a flow and accelerated toward the anode as a seed electron.

円錐型陽極12と中空円筒陰極13の間に電子を適切に加速すべく差圧電位が印加される。変形コリメータ磁場のゼロ磁場領域から陽極方向に加速される種電子は充填ガスの第一電離電圧以上のエネルギーに加速されて、充填ガス圧がより高いオリフィス陽極側の領域でガスをカスケード的に電離する。このカスケード電離で生じたイオンは変形コリメータの軸方向磁場に沿って中空円筒陰極の方向に加速され、第一電離電圧以上のエネルギーに対応する慣性を持って変形コリメータのゼロ磁場の領域を貫通する。この慣性ゆえにイオンは第1のリボン状熱陰極への電場方向に逆流することがなく、中心軸に沿って中空円筒陰極の中空円筒を貫通して中和装置Bの方向に放出される。本実施形態の非接触型直流イオンビーム源におけるイオン発生装置Aの電極と粒子流との関係を図8に示す。 A piezoelectric potential is applied between the conical anode 12 and the hollow cylindrical cathode 13 to appropriately accelerate the electrons. Seed electrons accelerated from the zero magnetic field region of the deformed collimator magnetic field toward the anode are accelerated to an energy equal to or higher than the first ionization voltage of the filling gas, and ionize the gas in cascade in the region on the anode side where the filling gas pressure is higher. do. The ions generated by this cascade ionization are accelerated toward the hollow cylindrical cathode along the axial magnetic field of the deformed collimator and penetrate the region of the zero magnetic field of the deformed collimator with an inertia corresponding to the energy above the first ionization voltage. .. Due to this inertia, the ions do not flow back in the direction of the electric field to the first ribbon-shaped hot cathode, but are emitted toward the neutralizing device B through the hollow cylinder of the hollow cylindrical cathode along the central axis. FIG. 8 shows the relationship between the electrode of the ion generator A and the particle flow in the non-contact type DC ion beam source of the present embodiment.

中和装置Bは真空容器01内に配置され、イオン発生装置Aの下流側に配置されてその中心軸がイオン発生装置Aの中心軸と共通であり装置AとBとが全体として単一の軸に対称なシステムを構築する。中和装置Bは中心軸の周りに設けられた第2のリボン輪状熱陰極24と、その上流側(イオン発生装置側)にサプレッサ電極23が設置されており、中和装置Bにおいて、変形コリメータ磁場を形成する第2の磁場発生のための対コイル27が設けられている中和装置Bの電極、コイル、イオンビームとイオンやプラズマ等中性の粒子ビームとの関係が図9に示されている。 The neutralizing device B is arranged in the vacuum vessel 01, is arranged on the downstream side of the ion generator A, its central axis is common to the central axis of the ion generator A, and the devices A and B are single as a whole. Build an axis-symmetrical system. The neutralizing device B has a second ribbon ring-shaped hot cathode 24 provided around the central axis and a suppressor electrode 23 on the upstream side (ion generator side) of the second ribbon ring-shaped hot cathode 24. FIG. 9 shows the relationship between the electrodes, coils, and ion beams of the neutralizing device B provided with the pair coil 27 for generating the second magnetic field forming the magnetic field and the neutral particle beam such as ions and plasma. ing.

中和装置Bではその内側表面とゼロ磁束の曲面との交線とその近傍で熱電子放出を容易にすべく酸化物処理を施した領域を加熱し、熱電子を発生させる。熱電子はイオンビームを陽極と見做して変形コリメータ径方向磁場に沿って移動し、イオン流を電気的に中性化し、プラズマビームとしてシステムから放出される。以上は基本構成ではあるが、現実には加速や中性化が同軸直列多段にわたって行われ得る。 In the neutralizing device B, the region subjected to the oxide treatment is heated in the vicinity of the intersection line between the inner surface and the curved surface of the zero magnetic flux in order to facilitate thermionic emission, and thermionic electrons are generated. Thermions, which regard the ion beam as an anode, move along the radial magnetic field of the deformed collimator, electrically neutralize the ion flow, and are emitted from the system as a plasma beam. The above is the basic configuration, but in reality, acceleration and neutralization can be performed over coaxial series and multiple stages.

第1のリボン輪状熱陰極14と第2のリボン輪状熱陰極24の間には第2のリボン輪状熱陰極24によりイオン発生装置Aからのイオン流を加速すべく、必要とされる加速電圧(例えば中空円筒陰極13にたいして例えば-30キロボルト程度のマイナス電圧が印加されている。サプレッサ電極23は第2のリボン輪状熱陰極にたいして-50ボルト程度のマイナス電圧が印加されており上流(イオン発生装置)側への電子の逆流を抑制している。 An acceleration voltage (acceleration voltage) required to accelerate the ion flow from the ion generator A by the second ribbon ring-shaped hot cathode 24 between the first ribbon ring-shaped hot cathode 14 and the second ribbon ring-shaped hot cathode 24. For example, a negative voltage of about -30 kilovolts is applied to the hollow cylindrical cathode 13, and a negative voltage of about -50 volts is applied to the second ribbon ring-shaped hot cathode of the suppressor electrode 23, which is upstream (ion generator). It suppresses the backflow of electrons to the side.

中和装置Bからの出力は、ビームテクノロジーに利用すべくビーム反応容器やビーム工作のターゲット容器に接続され、また惑星間ロケットのイオンエンジンとして真空惑星宇宙空間に放出される。 The output from the neutralizer B is connected to a beam reaction vessel and a target vessel for beam work for use in beam technology, and is released into vacuum planetary space as an ion engine for an interplanetary rocket.

次に、本実施形態の非接触型直流イオンビーム源の動作についてさらに詳細に説明する。イオン発生装置Aと中和装置Bの中心軸方向に沿って第1の変形コリメータ磁場発生のためのペアのコイル17及び第2の変形コリメータ磁場発生のためのペアのコイル27により半径方向への熱電子転送のための変形コリメータ磁場が形成されている(図4、図5参照)。それぞれのペアコイルの中心領域は中心軸上ゼロ磁場の領域であり、そこで径方向磁場は軸方向磁場に接続しており、これが電子に対するリダイレクターとしての機能を果たしている。リボン輪状熱陰極からの熱電子は、イオン発生装置Aの場合、リダイレクトされた後、陽極方向に軸に沿って加速されてカスケード放電による充填ガスのイオン化に寄与する。中和装置Bの場合は中心軸近傍のビームイオンを無接触で中和化する。 Next, the operation of the non-contact DC ion beam source of the present embodiment will be described in more detail. Along the central axis direction of the ion generator A and the neutralizer B, a pair of coils 17 for generating a first deformed collimator magnetic field and a pair of coils 27 for generating a second deformed collimator magnetic field are used in the radial direction. A deformed collimator magnetic field for thermionic transfer is formed (see FIGS. 4 and 5). The central region of each pair coil is the region of the zero magnetic field on the central axis, where the radial magnetic field is connected to the axial magnetic field, which functions as a redirector for electrons. In the case of the ion generator A, the thermions from the ribbon ring-shaped hot cathode are redirected and then accelerated along the axis in the anode direction to contribute to the ionization of the filling gas by the cascade discharge. In the case of the neutralizing device B, the beam ions near the central axis are neutralized without contact.

中空円筒陰極13を通過したイオン流はその下流で中空円筒陰極にたいしてマイナス電位の中和装置Bの第2のリボン輪状熱陰極24によって磁力線に沿って加速され、要求されるエネルギーのイオンビームになる。イオンのビームはその全電流が大きくビームが長くて半径が小さい場合、いわゆるキンクモード不安定が励起され、ビーム粒子が径方向に飛散してしまう。それを避けるために、イオン加速のための中和装置を同軸の多段のリボン状熱陰極&変形コリメータ磁場のセットを多段のイオン加速としてイオンビームの単位長を短くするか、軸方向磁場を強くしてこの不安定を抑制すること等の対策が必要な場合がある。 The ion flow that has passed through the hollow cylindrical cathode 13 is accelerated along the magnetic field lines by the second ribbon ring-shaped hot cathode 24 of the neutralizing device B having a negative potential with respect to the hollow cylindrical cathode downstream thereof, and becomes an ion beam of the required energy. .. When the total current of the ion beam is large and the beam is long and the radius is small, so-called kink mode instability is excited and the beam particles are scattered in the radial direction. In order to avoid this, the neutralizer for ion acceleration is a coaxial multi-stage ribbon-shaped hot cathode & deformed collimator magnetic field set as multi-stage ion acceleration to shorten the unit length of the ion beam or strengthen the axial magnetic field. Therefore, it may be necessary to take measures such as suppressing this instability.

中和装置Bの第2のリボン輪状熱陰極24は、イオン発生装置Aの第1のリボン輪状熱陰極14の場合と同様にイオンに照射されることがなく、したがって双方ともその内側表面での酸化物皮膜としては例えばLADスキャンデートの採用が可能で、必要に応じて800~950℃に加熱させるとき、そこから放出される熱電子が高効率で放出される。第2の磁場発生コイルからの熱電子は半径方向の磁力線に沿って"陽極"として見做し得るイオン流に吸入され、ここでイオンビームの電荷を中和させてイオンビームを電気的に中性のプラズマビームに変換させる。このイオンビームは中性原子のビーム流とは異なって、必ずしも電子がイオンと結合して中性原子となっているわけでなく、イオンと電子が共存して平均的に電気的中性のプラズマ状態となったビームである。また、非接触型の利点を利用した、等電位のリボン輪状熱陰極を多段構成にすることで、加速されたイオンのより完全な中性化を図ることも可能である。 The second ribbon ring-shaped hot cathode 24 of the neutralizer B is not irradiated with ions as in the case of the first ribbon ring-shaped hot cathode 14 of the ion generator A, and therefore both are on the inner surface thereof. For example, a LAD scandate can be adopted as the oxide film, and when it is heated to 800 to 950 ° C. as needed, the thermions emitted from the hot electron are emitted with high efficiency. Thermions from the second magnetic field generating coil are sucked into an ion stream that can be regarded as an "anodic" along the radial lines of magnetic force, where the charge of the ion beam is neutralized and the ion beam is electrically medium. Convert to a sex plasma beam. Unlike the beam flow of neutral atoms, this ion beam does not necessarily mean that electrons are bonded to ions to form neutral atoms, and ions and electrons coexist to form an electrically neutral plasma on average. It is a beam in a state. It is also possible to achieve more complete neutralization of accelerated ions by forming a multi-stage configuration of equipotential ribbon ring-shaped hot cathodes that utilize the advantages of the non-contact type.

このビームの中性化は、イオンビームの粒子ビーム加工用ターゲットが電導体でこれを陰極に併用することが可能という特殊な場合を除いて、一般には電子を含まずに陽電荷のイオンのみをシステム外に放出することで、絶縁体のターゲットが正に荷電し、それによる電場がイオンビームに不本意な擾乱を与えることや、システム全体がマイナスに荷電して装置がその機能を喪失すること等を避けるためのものである。 This beam neutralization generally involves only positively charged ions, without electrons, except in the special case where the ion beam particle beam processing target is an electric field that can be used in combination with the cathode. When emitted outside the system, the target of the insulator is positively charged, and the resulting electric field causes unintentional disturbance to the ion beam, or the entire system is negatively charged and the device loses its function. It is for avoiding such things.

上記のようにイオン発生装置Aのリボン輪状熱陰極14に中空円筒陰極13に対して負の電位を設定すると、図10に示すように、ゼロ磁場の領域は、リボン輪状熱陰極に対する仮想陽極となる。ちなみに、中和装置Bでは単一のユニットでは中心軸近傍のイオンビームそのものがリボン輪状熱陰極24に対する仮想的な陽極となっており、熱電子がリボン輪状熱陰極表面近傍に形成されるポテンシャル障壁を克服して中心軸方向に移動するための径方向電場を形成しており、この電場の値は熱電子発生領域の面積と加熱温度とともに、中心軸付近に供給される種電子の数を支配する。 When a negative potential is set for the hollow cylindrical hot cathode 13 in the ribbon ring-shaped hot cathode 14 of the ion generator A as described above, as shown in FIG. 10, the region of the zero magnetic field becomes the virtual anode for the ribbon ring-shaped hot cathode. Become. By the way, in the neutralizing device B, in a single unit, the ion beam itself near the central axis is a virtual anode for the ribbon ring-shaped hot cathode 24, and the thermion is a potential barrier formed near the surface of the ribbon ring-shaped hot cathode. A radial electric field is formed to overcome the problem and move in the central axis direction, and the value of this electric field controls the number of seed electrons supplied near the central axis together with the area of the thermionic generation region and the heating temperature. do.

イオン発生装置Aの第1の磁場発生対コイル16がカスプ磁場型の変形コリメータ用コイルの場合、熱電子の発生域をゼロ磁束の曲面として、その広がりを可能な限り少なくすることで、種電子はほぼ中心軸上に局在し、従って中心軸上で電離する陽イオンの正準角運動量は限りなくゼロに近い。これが電場の方向に正準角運動量を保持したまま加速され、オリフィス15と中空円筒陰極13を貫通してイオン流(イオンのビーム)を形成する。この間、電極等のビームの運動を阻害する構造物は皆無で、陽イオンは無接触のままイオン発生装置Aから放出され、真空空間中心軸近傍での軸方向の直流磁場で加速されてターゲットの陰極に照射される。また必要な場合には、加速されたイオンが電気的に中和された後に真空空間に放出される。 When the first magnetic field generation pair coil 16 of the ion generator A is a cusp magnetic field type deformation collimeter coil, the thermion generation region is set as a curved surface of zero magnetic flux, and the spread is minimized as much as possible. Is localized almost on the central axis, so the canonical momentum of the cations ionized on the central axis is infinitely close to zero. This is accelerated in the direction of the electric field while maintaining the canonical angular momentum, and penetrates the orifice 15 and the hollow cylindrical cathode 13 to form an ion flow (ion beam). During this period, there are no structures such as electrodes that obstruct the movement of the beam, and the cations are emitted from the ion generator A without contact, and are accelerated by the axial DC magnetic field near the central axis of the vacuum space of the target. The cathode is irradiated. If necessary, the accelerated ions are electrically neutralized and then released into the vacuum space.

ここで生成されるゼロ正準角運動量のイオンは反平行ヘルムホルツ型コリメータの形成する磁場や、カスプ磁場、磁気的アイランド等に導入させることができる。この性質を利用して、加速されたイオンビームをカスプ磁場、磁気的アイランド等を通過させることでノンゼロ正準角運動量の陽イオンをビームから排除して、正準角運動量ゼロの陽イオンのみという理想に近いイオン又はプラズマビームを得ることも可能である。 The ions having zero canonical momentum generated here can be introduced into a magnetic field formed by an antiparallel Helmholtz type collimator, a cusp magnetic field, a magnetic island, or the like. Utilizing this property, cations with non-zero canonical momentum are excluded from the beam by passing the accelerated ion beam through a cusp magnetic field, magnetic islands, etc., and only cations with zero canonical momentum are called. It is also possible to obtain an ion or plasma beam that is close to the ideal.

イオン発生装置Aと中和装置Bを通じてイオンは軸方向の磁場に沿って運動することで陰極その他の構造物に非接触に処理される。その意味では中和装置Bはイオン発生装置Aと組み合わせてイオンの中性化という機能を発揮するもので、中和装置Bを無条件に他のイオン発生装置と組み合わせてイオンビームの中性化を図ることは、必ずしも魅力あるとは言えない。 Through the ion generator A and the neutralizer B, the ions move along an axial magnetic field and are treated non-contact with the cathode and other structures. In that sense, the neutralizing device B exerts the function of ion neutralization in combination with the ion generator A, and the neutralizing device B is unconditionally combined with another ion generator to neutralize the ion beam. It is not always attractive to try.

中性化装置から放出されるイオン(プラズマ)ビームは磁力線に沿って反応ターゲットに照射され、イオンエンジンとして利用される場合は太陽風の太陽表面からの放出の場合と同様に、マグネチッククラウド(膨張磁気雲)の形で惑星間空間に放出される。 The ion (plasma) beam emitted from the neutralizer irradiates the reaction target along the lines of magnetic force, and when used as an ion engine, the magnetic cloud (expansion) is similar to the case of emission from the solar surface of the solar wind. It is emitted into the interplanetary space in the form of a magnetic cloud).

以上、本発明の非接触型直流イオンビーム源の原理は、大出力かつ超長時間にわたっての安全な運転が可能な惑星間ロケットのイオンロケットや、大電流対向重水素プラズマビーム核融合によるBNCT(ホウ素中性子捕捉療法)用低雑音熱中性子源、サブ・ナノメーター級超精密イオンビームプロセスのためのイオンビーム生成等の技術に活用されてこれらの分野の技術の進歩に大きく寄与するものと考えられる。 As described above, the principle of the non-contact type DC ion beam source of the present invention is the ion rocket of the interplanetary rocket capable of high output and safe operation for an ultra-long time, and the BNCT by fusion of a large current opposed heavy hydrogen plasma beam. It is considered to be utilized in technologies such as low-noise thermal neutron source for boron neutron capture therapy and ion beam generation for sub-nanometer-class ultra-precision ion beam processes, and will greatly contribute to technological progress in these fields. ..

A イオン発生装置
B 中和装置
01 真空容器
12 円錐型陽極
13 中空円筒陰極
14 第1のリボン輪状熱陰極
15 オリフィス
16 第1のソレノイド磁場発生コイル
17 第1の変形コリメータ磁場発生用ペアコイル
23 サプレッサ電極
24 第2のリボン輪状熱陰極
26 第2のソレノイド磁場発生コイル
27 第2の変形コリメータ磁場発生用ペアコイル
A Ion generator B Neutralizer 01 Vacuum vessel 12 Conical anode 13 Hollow cylindrical cathode 14 First ribbon ring-shaped hot cathode 15 orifice 16 First solenoid magnetic field generation coil 17 First deformation collimator magnetic field generation pair coil 23 Suppressor electrode 24 Second ribbon ring-shaped hot cathode 26 Second solenoid magnetic field generation coil 27 Second deformation collimator magnetic field generation pair coil

Claims (5)

充填ガスの放電で作られたプラズマからイオンを分離し、これを取り出す軸対称構造のイオン発生装置と、そこで得られたイオンを所定のエネルギーに加速し、必要に応じてこれに電子を付加して電気的に中性のプラズマビームに変換させる軸対称構造の中和装置とが一つの真空容器内、共通の軸に対称に繋がっていることを特徴とする非接触型直流イオンビーム源。 An axisymmetric ion generator that separates ions from the plasma created by the discharge of the filling gas and takes them out, accelerates the ions obtained there to a predetermined energy, and adds electrons to it as needed. A non-contact type DC ion beam source characterized in that an axisymmetric structure neutralizer that electrically converts the plasma beam into a neutral plasma beam is connected symmetrically to a common axis in one vacuum vessel. 前記イオン発生装置と中和装置には変形コリメータ磁場とリボン輪状熱陰極を組み合わせたユニットが採用されており、リボン輪状熱陰極の内側表面とゼロ磁束の曲面とが交差する線とその近傍には熱電子の放出を容易にする酸化物処理が施され、中心軸近傍でのゼロ磁場領域で軸方向磁場が径方向磁場に繋がり、これが熱電子発生領域に繋がっており、結果としてリボン輪状熱陰極からの熱電子はこの酸化物処理が施された領域から磁力線に沿ってゼロ磁場の領域に転送され、イオン発生装置のゼロ磁場の領域では熱電子が電界によって陽極方向に磁力線に沿って加速され、カスケード放電のための種電子となり、前記中和装置に於いてはゼロ磁場の領域での熱電子は加速された陽イオンのビームに付加されてこれを電気的に中性化し、これらの作用を可能にする変形コリメータ磁場とリボン輪状熱陰極とを組み合わせたセットを特徴とする請求項1に記載の非接触型直流イオンビーム源。 A unit that combines a deformed collimator magnetic field and a ribbon ring-shaped thermion cathode is adopted for the ion generator and the neutralizing device. Oxide treatment is applied to facilitate thermionic emission, and the axial magnetic field is connected to the radial magnetic field in the zero magnetic field region near the central axis, which is connected to the thermionic generation region, resulting in a ribbon ring-shaped thermal cathode. Thermions from this oxide treatment are transferred from this oxide-treated region to the region of zero magnetic field along the lines of magnetic force, and in the region of zero magnetic field of the ion generator, thermions are accelerated by the electric field in the direction of the cathode along the lines of magnetic force. In the neutralizing device, thermions in the region of zero magnetic field are added to the accelerated beam of cations and electrically neutralized, and these actions occur. The non-contact type DC ion beam source according to claim 1, wherein the modified collimeter magnetic field and the ribbon ring-shaped thermion cathode are combined. 前記イオン発生装置からのビームイオンを所定のエネルギーに加速すべく中和装置のリボン輪状熱陰極にイオン発生装置の中空円筒陰極に対してマイナスの電位を印加し、また必要な場合、前記中和装置のリボン輪状熱陰極から、熱放出電子を変形コリメータの半径方向磁場を通じて中心方向に転送し、そこで加速されてきたイオンビームを電気的に中性化してプラズマビームに変換させる。これらの電極並びに磁場コイルの組み合わせの前記中和装置を特徴とする請求項1又は2に記載の非接触型直流イオンビーム源。 A negative potential is applied to the ribbon ring-shaped hot cathode of the neutralizer to the hollow cylindrical cathode of the ion generator in order to accelerate the beam ions from the ion generator to a predetermined energy, and if necessary, the neutralization is performed. From the ribbon ring-shaped hot cathode of the device, the heat-emitting electrons are transferred toward the center through the radial magnetic field of the deformation collimeter, and the ion beam accelerated there is electrically neutralized and converted into a plasma beam. The non-contact type DC ion beam source according to claim 1 or 2, wherein the neutralizing device is a combination of these electrodes and a magnetic field coil. 前記イオン発生装置のカスケード放電のために必要な充填ガス圧と加速領域や前記中和装置での荷電交換を避けるために要請される低いガス圧との圧力差がゼロ磁場領域にたいする電位が充填ガスの第一電離電圧以上の場所に設置されるオリフィスを介しての差動排気によって保持されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の非接触型直流イオンビーム源。 The pressure difference between the filling gas pressure required for the cascade discharge of the ion generator and the low gas pressure required to avoid charge exchange in the acceleration region and the neutralizing device is zero. The potential for the magnetic field region is the filling gas. The non-contact type DC ion beam source according to any one of claims 1 to 3, wherein the gas is held by a differential exhaust through an orifice installed at a position equal to or higher than the first ionization voltage of the above. .. 前記中和装置で電子のイオン発生装置方向への逆流を防ぐため、中和装置の変形コリメータとリボン輪状熱陰極のユニットのセット上流に設置され、前記リボン輪状熱陰極に対してマイナス電位のサプレッサ電極の設置を特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の非接触型直流イオンビーム源。 In order to prevent backflow of electrons toward the ion generator in the neutralizing device, a suppressor having a negative potential with respect to the ribbon ring-shaped hot cathode is installed upstream of the set of the deformation collimeter of the neutralizing device and the ribbon ring-shaped hot cathode unit. The non-contact type DC ion beam source according to any one of claims 1 to 4, wherein the non-contact type DC ion beam source is characterized by the installation of electrodes.
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