JP3111851B2 - High magnetic flux density ion source - Google Patents
High magnetic flux density ion sourceInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、高磁束密度イオン源に
係り、特に静電加速器のイオンビーム発生源に適用され
るＰＩＧ型イオン源に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high magnetic flux density ion source, and more particularly to a PIG type ion source applied to an ion beam source of an electrostatic accelerator.
【０００２】[0002]
【従来の技術】図４は従来のＰＩＧ型イオン源の一例の
構造を示す概略断面図である。図４に示すように、従来
のＰＩＧ型イオン源Ａは、円筒型のアノード電極５を磁
極３、４で軸方向に挟んだ構造からなり、磁極３、４に
外部でつながる永久磁石２によってアノード電極５内に
軸方向の磁場を発生させる。アノード電極５は電流導入
端子１０を通してアノード電源１４につながり、プラズ
マ発生室１に対して正極電位が印加される。アノード電
極５内に発生させたプラズマからイオンを、引き出し電
極７にかけた負極電位によって引き出し孔６を通し、ビ
ームとして取り出す。2. Description of the Related Art FIG. 4 is a schematic sectional view showing the structure of an example of a conventional PIG ion source. As shown in FIG. 4, the conventional PIG ion source A has a structure in which a cylindrical anode electrode 5 is axially sandwiched between magnetic poles 3 and 4, and the anode is formed by a permanent magnet 2 externally connected to the magnetic poles 3 and 4. An axial magnetic field is generated in the electrode 5. The anode electrode 5 is connected to an anode power supply 14 through a current introduction terminal 10, and a positive potential is applied to the plasma generation chamber 1. Ions from the plasma generated in the anode electrode 5 are extracted as a beam through the extraction hole 6 by the negative electrode potential applied to the extraction electrode 7.
【０００３】図５は図４のイオン源Ａのアノード電極の
形状例を示す外観斜視図（ａ）（ｂ）である。従来のア
ノード電極５は図５（ａ）に示すような円筒型の他、ソ
レノイドコイル型（ｂ）などもある。図６は図４のイオ
ン源Ａのアノード電極５近傍のプラズマ発生状況を示す
説明図である。磁極３とアノード電極５間にかけられた
電圧によって、電子はアノード電極５中央に向けて加速
される。高々ｋＶ程度のエネルギーの電子は、アノード
電極５近傍の磁場（数百〜数千ガウス）によって磁束線
にらせん状に絡みついた軌道（≦１ｍｍφ）を描く。こ
の電子は中性粒子との散乱によって僅かにエネルギーを
失うと、対抗磁極４にたどりつけずにアノード電極５中
央で往復／振動運動を行う。そして、往復する間に中性
ガスを電離し、イオンを生成する。FIGS. 5A and 5B are external perspective views showing examples of the shape of the anode electrode of the ion source A shown in FIG. The conventional anode electrode 5 includes a solenoid coil type (b) in addition to a cylindrical type as shown in FIG. FIG. 6 is an explanatory diagram showing a plasma generation situation near the anode electrode 5 of the ion source A of FIG. The electrons are accelerated toward the center of the anode electrode 5 by the voltage applied between the magnetic pole 3 and the anode electrode 5. Electrons having energy of at most about kV draw a trajectory (≦ 1 mmφ) spirally entangled with magnetic flux lines by a magnetic field (several hundreds to several thousand gauss) near the anode electrode 5. When these electrons slightly lose energy due to scattering with neutral particles, they reciprocate / oscillate at the center of the anode electrode 5 without reaching the opposing magnetic pole 4. Then, during the reciprocation, the neutral gas is ionized to generate ions.
【０００４】また、生成したイオンは負電位となった磁
極３、４に向かって加速され、磁極表面に衝突し、衝突
によって二次電子が生成される。該二次電子は再びアノ
ード電極５に向かって加速され、電離にあずかる電子を
増殖していく。[0004] The generated ions are accelerated toward the magnetic poles 3 and 4 having a negative potential, and collide with the surface of the magnetic poles, thereby generating secondary electrons. The secondary electrons are accelerated again toward the anode electrode 5 and multiply electrons participating in ionization.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】近年の静電加速器の進
歩にともなって、従来よりも更に高いイオンビーム電流
が得られるイオン源の開発が望まれている。しかしなが
ら、従来のＰＩＧ型イオン源はアノード部に非磁性の金
属筒又はコイル状のもの（図５（ａ），（ｂ）参照）が
使用されていることから、電離室内の空間が大きいこと
に加え、磁束の漏れが多いので、プラズマ室（電離室）
の磁束密度が低い。このためプラズマ密度が低く、高い
イオンビーム電流が得られないという問題がある。一般
的にはアノードに流す電流を大きくすればイオンビーム
電流も増加するが、消費電力が増加するという欠点があ
る。With the recent development of electrostatic accelerators, there has been a demand for the development of an ion source capable of obtaining a higher ion beam current than before. However, since the conventional PIG type ion source uses a non-magnetic metal cylinder or coil-shaped one at the anode (see FIGS. 5A and 5B), the space inside the ionization chamber is large. In addition, since there is much leakage of magnetic flux, the plasma chamber (ionization chamber)
Has a low magnetic flux density. Therefore, there is a problem that the plasma density is low and a high ion beam current cannot be obtained. Generally, if the current flowing through the anode is increased, the ion beam current also increases, but there is a disadvantage that power consumption increases.
【０００６】また、従来のイオン源は真空容器の壁面か
ら不純物ガスが放出されることがあり、この不純物によ
って中性ガスの純度が低下して、特に軽質量イオン、多
荷イオンの生成効率が低下するという問題がある。本発
明はこのような事情に鑑みてなされたもので、高磁束密
度の磁場を形成してプラズマ密度を高めることにより、
低消費電力で高品質のイオンビームを得ることができる
高磁束密度イオン源を提供することを目的とする。Further, in the conventional ion source, impurity gas may be released from the wall surface of the vacuum vessel, and the impurity lowers the purity of the neutral gas. There is a problem of lowering. The present invention has been made in view of such circumstances, by increasing the plasma density by forming a magnetic field of high magnetic flux density,
An object of the present invention is to provide a high magnetic flux density ion source capable of obtaining a high quality ion beam with low power consumption.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明は前記目的を達成
するために、中性ガスが導入される真空容器と、前記真
空容器の廻りに配設され、前記真空容器の内側に該真空
容器の中心軸と平行な磁場を発生させる磁石と、前記真
空容器のイオン取り出し側の端部に配設される第１のカ
ソードであって、高透磁率の磁性材料により形成され、
前記磁石からの磁束を導く磁気回路の一部を構成すると
ともに、放電時に電子を放出する第１のカソードと、前
記真空容器の内側において前記中心軸上に沿って配設さ
れ、放電時に電子を放出する円柱状の第２のカソードで
あって、高透磁率の磁性材料により形成され、後記アノ
ードの内側の漏れ磁場を吸収してその磁束をイオン取り
出し方向に向ける第２のカソードと、前記真空容器内で
前記第１及び第２のカソードの中間部に配置される円錐
筒状の先端部を有し、放電に必要な電圧が印加されるア
ノードであって、高透磁率の磁性材料で形成され、前記
磁気回路の一部として前記先端部の近傍に磁束を集め、
前記先端部を挟んだ前記第１及び第２のカソード間に放
電を集中させて、前記第１及び第２のカソードから放出
される電子により前記中性ガスをプラズマ化するアノー
ドと、前記放電が発生する前記アノードの先端部の近傍
にてプラズマ化された中性ガスのイオンを取り出すイオ
ン取出部と、を備えたことを特徴としている。In order to achieve the above object, the present invention provides a vacuum vessel into which a neutral gas is introduced, and a vacuum vessel disposed around the vacuum vessel and provided inside the vacuum vessel. A magnet for generating a magnetic field parallel to the central axis of the first container, and a first cathode disposed at an end on the ion extraction side of the vacuum vessel, the first cathode being formed of a magnetic material having high magnetic permeability;
A first cathode that forms a part of a magnetic circuit that guides a magnetic flux from the magnet and that emits electrons at the time of discharge, and is disposed along the central axis inside the vacuum vessel, and emits electrons at the time of discharge. A cylindrical second cathode for discharging, formed of a magnetic material having a high magnetic permeability, absorbing a leakage magnetic field inside the anode described later, and directing the magnetic flux in an ion extraction direction; An anode to which a voltage required for electric discharge is applied, the anode having a conical cylindrical shape disposed in a middle portion between the first and second cathodes in the container, and formed of a magnetic material having high magnetic permeability; Is collected magnetic flux near the tip as part of the magnetic circuit,
An anode for concentrating a discharge between the first and second cathodes with the tip portion interposed therebetween, and an anode for converting the neutral gas into a plasma by electrons emitted from the first and second cathodes; And an ion extraction unit for extracting ions of the neutralized gas that has been turned into plasma in the vicinity of the generated tip of the anode.
【０００８】[0008]
【作用】本発明によれば、真空容器の廻りに配設した磁
石によって該真空容器の中心軸に平行な磁場を発生さ
せ、前記真空容器の一端部に高透磁率の磁性材料で形成
した第１のカソードを配設するとともに、前記真空容器
の中心軸上に高透磁率の磁性材料で形成した円柱状の第
２のカソードを配設して、前記磁石から出る磁束を集中
させるとともに平行磁場を形成し、第１、第２のカソー
ドの中間部に高透磁率の磁性材料で形成した円錐筒状の
カーソドの先端部を配設して該アノード先端部近傍の磁
束を絞り込んで、強力な平行磁場を形成している。これ
により、電子のトラップ効果によりアノード先端部近傍
でＰＩＧ放電が集束されプラズマ密度を高めることがで
き、イオン取出部から高いエネルギーのイオンビームを
取り出すことができる。According to the present invention, a magnetic field parallel to the central axis of the vacuum vessel is generated by a magnet arranged around the vacuum vessel, and one end of the vacuum vessel is formed of a magnetic material having high magnetic permeability. And a cylindrical second cathode formed of a magnetic material having high magnetic permeability is arranged on the central axis of the vacuum vessel to concentrate the magnetic flux emitted from the magnet and generate a parallel magnetic field. And a tip of a conical cylindrical cursor formed of a magnetic material having high magnetic permeability is disposed at an intermediate portion between the first and second cathodes, and a magnetic flux near the tip of the anode is narrowed to provide a strong magnetic field. A parallel magnetic field is formed. Thus, the PIG discharge is focused near the tip of the anode due to the electron trapping effect, the plasma density can be increased, and a high energy ion beam can be extracted from the ion extraction unit.
【０００９】また、真空容器の内壁を形成する部材であ
る第１、第２のカソード及びアノードとを真空中で脱気
処理した高透磁性の磁性材料で形成し、且つニッケルメ
ッキを施すことにより、材料表面から重元素ガスが放出
されるのを防止することができる。これにより、生成さ
れたイオンが重元素ガスと電荷交換して失われるのを防
止し、イオンの寿命を延ばすことができ、前述のアノー
ド先端近傍に高磁束密度の磁場が形成されることにより
生じるイオン捕獲効果と相まって、イオンの閉じ込め時
間を延ばすことができる。そして、高効率でイオンビー
ムを得ることができる。Further, the first and second cathodes and anodes, which are members forming the inner wall of the vacuum vessel, are formed of a highly permeable magnetic material degassed in a vacuum, and are plated with nickel. In addition, heavy element gas can be prevented from being released from the material surface. As a result, it is possible to prevent the generated ions from being exchanged with the heavy element gas and lost, thereby extending the life of the ions, which is caused by the formation of a magnetic field having a high magnetic flux density near the above-mentioned anode tip. Combined with the ion trapping effect, the ion confinement time can be extended. And an ion beam can be obtained with high efficiency.
【００１０】[0010]
【実施例】以下添付図面に従って本発明に係る高磁束密
度イオン源の好ましい実施例について詳説する。図１は
本発明に係る高磁束密度イオン源の実施例の構成を示す
概略断面図である。同図に示すように、この高磁束密度
イオン源２０は、主として石英管２２、高磁束密度マグ
ネット２４、アノード電極２６、ターゲットカソード２
８、ターゲットカソードベース２９、カソードベース３
０、アパチャ３１、絶縁スペーサ３３、３５、及び高圧
電源３６等から構成されている。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the high magnetic flux density ion source according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic sectional view showing a configuration of an embodiment of a high magnetic flux density ion source according to the present invention. As shown in FIG. 1, the high magnetic flux density ion source 20 mainly includes a quartz tube 22, a high magnetic flux density magnet 24, an anode electrode 26, a target cathode 2
8, target cathode base 29, cathode base 3
0, an aperture 31, insulating spacers 33 and 35, a high-voltage power supply 36, and the like.
【００１１】石英管２２の外周には高磁束密度マグネッ
ト２４が配設されており、該高磁束密度マグネット２４
によって前記石英管２２の軸方向の磁場を発生させてい
る。また、同図において該石英管２２の右端にはイオン
ビーム取出孔３０Ａが形成されたカソードベース３０と
アパチャ３１とが設けられており、プラズマ室４０で生
成されたイオンを前記イオンビーム取出孔３０Ａを介し
て外部に取り出すことができる。A high magnetic flux density magnet 24 is provided around the outer periphery of the quartz tube 22.
Thereby, an axial magnetic field of the quartz tube 22 is generated. In the same figure, a cathode base 30 having an ion beam extraction hole 30A formed therein and an aperture 31 are provided at the right end of the quartz tube 22, and the ions generated in the plasma chamber 40 are supplied to the ion beam extraction hole 30A. Can be taken out to the outside.
【００１２】また、前記カソードベース３０及びアパチ
ャ３１は、高透磁率の磁性材料（例えば純鉄）で製作さ
れており、該磁性材料は真空中で脱気処理を行い、加工
後にニッケルメッキが施されている。このように、高透
磁率の磁性材料で製作されたカソードベース３０とアパ
チャ３１とは前記高磁束密度マグネット２４からの磁場
を伝える磁極としての役割を有している。しかも、前記
磁性材料に脱気処理及びニッケルメッキ処理を施すこと
により、材料表面からの重元素ガスの放出を防止し、プ
ラズマ室４０への不純物の混入を防いでいる。The cathode base 30 and the aperture 31 are made of a magnetic material having a high magnetic permeability (for example, pure iron). The magnetic material is subjected to a degassing process in a vacuum, and is plated with nickel after the process. Have been. As described above, the cathode base 30 and the aperture 31 made of a magnetic material having a high magnetic permeability function as magnetic poles for transmitting a magnetic field from the high magnetic flux density magnet 24. In addition, by performing degassing and nickel plating on the magnetic material, emission of heavy element gas from the material surface is prevented, and contamination of the plasma chamber 40 with impurities is prevented.
【００１３】一方、前記石英管２２の左端側には、絶縁
スペーサ３３で絶縁されたアノード電極２６が設けられ
ている。このアノード電極２６は前記石英管２２内に密
着して挿入される略円筒型部分２６Ａを有しており、そ
の先端部２６Ｂは円錐筒状に形成されている。そして、
その円錐部の内側は先端側に行く程、その内径が狭まる
ように該断面が階段状に形成されている（図２の拡大図
参照）。On the other hand, an anode electrode 26 insulated by an insulating spacer 33 is provided on the left end side of the quartz tube 22. The anode electrode 26 has a substantially cylindrical portion 26A which is inserted into the quartz tube 22 in close contact, and the tip portion 26B is formed in a conical cylindrical shape. And
The inside of the conical portion is formed in a step-like shape so that the inner diameter becomes narrower toward the distal end side (see an enlarged view of FIG. 2).
【００１４】また、このアノード電極２６は、高透磁率
の磁性材料（例えば純鉄）で製作されており、該磁性材
料は真空中で脱気処理を行い、加工後にニッケルメッキ
が施されている。このように、高透磁率の磁性材料で製
作されたアノード電極２６は、前記高磁束密度マグネッ
ト２４からの磁場を伝える磁極としての役割を有してお
り、その先端形状によって磁場を集束できるようになっ
ている。しかも、前記磁性材料に脱気処理及びニッケル
メッキ処理を施すことにより、材料表面からの重元素ガ
スの放出を防止し、プラズマ室４０への不純物の混入を
防いでいる。The anode electrode 26 is made of a magnetic material having a high magnetic permeability (eg, pure iron). The magnetic material is subjected to a degassing process in a vacuum, and is plated with nickel after the process. . As described above, the anode electrode 26 made of a magnetic material having a high magnetic permeability has a role as a magnetic pole for transmitting a magnetic field from the high magnetic flux density magnet 24, and the magnetic field can be focused by its tip shape. Has become. In addition, by performing degassing and nickel plating on the magnetic material, emission of heavy element gas from the material surface is prevented, and contamination of the plasma chamber 40 with impurities is prevented.
【００１５】更に、前記アノード電極２６は高電圧電源
３６と接続されており、この高圧電源３６によってアノ
ード電極２６にＰＩＧ放電に必要な高電圧が印加され
る。一方、該アノード電極２６の左端部には、絶縁スペ
ーサ３５を介してターゲットカソードベース２９が取り
付けられている。ターゲットカソードベース２９には前
記アノード電極２６の内部に伸びる支柱４２が固着され
ており、その支柱４２の先端には円柱状のターゲットカ
ソード２８が支持されている。このターゲットカソード
２８は、高透磁率の磁性材料（例えば純鉄）で製作され
ており、該磁性材料は真空中で脱気処理を行い、加工後
にニッケルメッキが施されている。尚、前記ターゲット
カソードベース２９、支柱４２及びターゲットカソード
２８には外部からプラズマ室４０に中性ガスを導入する
ためのガス導入孔４４が、これら各部材の中心軸に沿っ
て形成されている。尚、ガス導入孔は、これに限らず別
に設けてもよい。Further, the anode electrode 26 is connected to a high voltage power supply 36, and a high voltage required for PIG discharge is applied to the anode electrode 26 by the high voltage power supply 36. On the other hand, a target cathode base 29 is attached to the left end of the anode electrode 26 via an insulating spacer 35. A column 42 extending inside the anode electrode 26 is fixed to the target cathode base 29, and a columnar target cathode 28 is supported at the tip of the column 42. The target cathode 28 is made of a magnetic material having a high magnetic permeability (for example, pure iron), and the magnetic material is subjected to a degassing process in a vacuum, and is plated with nickel after processing. A gas introduction hole 44 for introducing a neutral gas from the outside into the plasma chamber 40 is formed in the target cathode base 29, the support 42 and the target cathode 28 along the central axis of each of these members. The gas introduction hole is not limited to this, and may be provided separately.
【００１６】プラズマ室４０に導入される中性ガスは、
例えばＨ2 ガスやＨｅガスなどであり、イオン源２０か
ら取り出すべきイオンの種類によって、何れの種類のガ
スを導入するかが選択される。例えばＨ+ を取り出す場
合は純度６Ｎ（シックスナイン）の水素ガスを導入し、
Ｈｅ+ ，Ｈｅ2+を取り出す場合は純度７Ｎ（セブンナイ
ン）のＨｅガスを導入する。The neutral gas introduced into the plasma chamber 40 is
For example, H 2 gas, He gas, or the like, which type of gas is introduced is selected depending on the type of ions to be extracted from the ion source 20. For example, when extracting H + , hydrogen gas with a purity of 6N (six nine) is introduced,
When He + and He 2+ are taken out, He gas having a purity of 7N (seven nines) is introduced.
【００１７】導入されるガスの純度は、イオンビームの
生成の上で重要な要素であり、不純物が混入してガスの
純度が低下すると、イオン生成効率が低下する。特に多
荷イオンは原料ガス以外のプラズマ室４０側壁などから
放出される重元素ガスとの電荷交換によって失われ易
い。従って、不純物の混入を極力防止する必要がある。
そこで、本発明の実施例では、プラズマ室４０壁面を構
成する主要部材について、脱気処理及びニッケルメッキ
を施して材料表面からの不純物ガス（重元素ガス）の放
出を防止している。The purity of the introduced gas is an important factor in generating an ion beam. When impurities are mixed to lower the purity of the gas, the ion generation efficiency is reduced. In particular, heavy ions are easily lost by charge exchange with heavy element gases released from the side walls of the plasma chamber 40 other than the source gas. Therefore, it is necessary to prevent the entry of impurities as much as possible.
Therefore, in the embodiment of the present invention, the main members constituting the wall of the plasma chamber 40 are subjected to degassing and nickel plating to prevent the emission of impurity gas (heavy element gas) from the material surface.
【００１８】また、高効率でイオンを取り出す場合に
は、イオンの生成促進と、プラズマ室４０内での生成イ
オンの長寿命化が必要になる。一般にイオンの生成促進
には電子温度（エネルギー）を高くし、生成イオンの長
寿命化には生成イオンの平均自由行程を延ばす為、ま
た、中性粒子との散乱で容易に電荷交換しないようにプ
ラズマ室４０のガス圧を低く抑える必要がある。In order to extract ions with high efficiency, it is necessary to promote the generation of ions and extend the life of the generated ions in the plasma chamber 40. Generally, the electron temperature (energy) is increased to promote the generation of ions, the mean free path of the generated ions is extended to extend the life of the generated ions, and the charge is not easily exchanged by scattering with neutral particles. It is necessary to keep the gas pressure in the plasma chamber 40 low.
【００１９】しかし、電子エネルギーを高くすることは
即ち、アノード電極２６に流す電流を大きくすることで
あり、消費電力が多大になり、一方、ガス圧を下げすぎ
ると、原料となる中性ガス、一価イオンも減少するとい
う問題がある。本実施例では、プラズマ室４０内に高磁
束密度の平行磁場を形成して、イオンの捕獲効果を高め
るとともに、プラズマ室４０側面等から放出される重元
素ガスの発生を防止して、イオンの閉じ込め時間を延ば
すようにしている。However, increasing the electron energy, that is, increasing the current flowing through the anode electrode 26 increases the power consumption. On the other hand, if the gas pressure is lowered too much, the neutral gas as a raw material, There is a problem that monovalent ions also decrease. In the present embodiment, a parallel magnetic field having a high magnetic flux density is formed in the plasma chamber 40 to enhance the ion trapping effect, and to prevent the generation of heavy element gas released from the side face of the plasma chamber 40 and the like. The confinement time is extended.
【００２０】前記ターゲットカソードベース２９、支柱
４２及びターゲットカソード２８は、高透磁率の磁性材
料（例えば純鉄）で製作されており、該磁性材料は真空
中で脱気処理を行い、加工後にニッケルメッキが施され
ている。このように、高透磁率の磁性材料で製作された
ターゲットカソードベース２９、支柱４２及びターゲッ
トカソード２８は、前記高磁束密度マグネット２４から
の磁場を伝える役割を有しており、特に、アノード電極
２６内に配置されたターゲットカソード２８は、アノー
ド電極２６からの漏れ磁場を吸収して磁束をアパチャ３
１方向へ向ける役割を果たしてる。このように、高磁束
密度マグネット２４、ターゲットカソードベース２９、
支柱４２、ターゲットカソード２８、カソードベース３
０及びアパチャ３１によって形成される磁気回路によっ
て、前記アノード電極の先端部２６Ｂ付近に集束される
磁場の磁束密度を高めている。しかも、前記磁性材料に
脱気処理及びニッケルメッキ処理を施すことにより、材
料表面からのガス放出を防止し、プラズマ室４０への不
純物の混入を防いでいる。The target cathode base 29, the pillars 42, and the target cathode 28 are made of a magnetic material having a high magnetic permeability (eg, pure iron). Plated. As described above, the target cathode base 29, the support 42 and the target cathode 28 made of a magnetic material having a high magnetic permeability have a role of transmitting a magnetic field from the high magnetic flux density magnet 24, and particularly, the anode electrode 26. The target cathode 28 arranged in the inside absorbs a magnetic field leaking from the anode electrode 26 to generate a magnetic flux.
Playing a role in one direction. Thus, the high magnetic flux density magnet 24, the target cathode base 29,
Support 42, target cathode 28, cathode base 3
The magnetic circuit formed by the zero and the aperture 31 increases the magnetic flux density of the magnetic field focused near the tip 26B of the anode electrode. In addition, by performing degassing and nickel plating on the magnetic material, outgassing from the surface of the material is prevented, and contamination of the plasma chamber 40 with impurities is prevented.
【００２１】次に、前記の如く構成された高磁束密度イ
オン源の作用について説明する。石英管２２によって大
気と仕切られるプラズマ室４０は、初期状態において高
真空に保たれている。そして、外部より前記ガス導入孔
４４を介してＨ2 ガス又はＨe ガスなどの中性ガスが導
入され、適切なガス圧に達した後、前記高電圧電源３６
からアノード電極２６に高電圧が印加される。この時、
ターゲットカソードベース２９及びカソードベース３０
は、絶縁スペーサ３３、３５によってそれぞれアノード
電極２６と絶縁されているので、ターゲットカソード２
８とアノード電極２６間及びアパチャ３１とアノード電
極２６間でＰＩＧ放電が発生する。Next, the operation of the high magnetic flux density ion source configured as described above will be described. The plasma chamber 40 separated from the atmosphere by the quartz tube 22 is maintained at a high vacuum in an initial state. Then, a neutral gas such as H 2 gas or He gas is introduced from the outside through the gas introduction hole 44 and reaches a suitable gas pressure.
, A high voltage is applied to the anode electrode 26. At this time,
Target cathode base 29 and cathode base 30
Are insulated from the anode electrode 26 by the insulating spacers 33 and 35, respectively.
8 and the anode electrode 26, and between the aperture 31 and the anode electrode 26, a PIG discharge occurs.
【００２２】一方、高磁束密度マグネット２４と高透磁
率の磁性材料で構成されたアノード電極２６、アパチャ
３１及びカソードベース３０によって磁気回路が形成さ
れることにより、ターゲットカソード２８及びアノード
電極２６から出る磁力線はイオン取り出し方向に向いて
いる。更に、図２の拡大図に示すようにアノード電極２
６の先端形状が円錐状に形成され、その内部も先端側に
行くに従ってその内径が絞られるように形状されている
ので、磁力線はアノード電極２６の先端近傍で絞られ、
強力な平行磁場が形成される（図２参照）。On the other hand, a magnetic circuit is formed by the high magnetic flux density magnet 24, the anode electrode 26 made of a magnetic material having high magnetic permeability, the aperture 31 and the cathode base 30, so that the magnetic flux exits from the target cathode 28 and the anode electrode 26. The lines of magnetic force are oriented in the ion extraction direction. Further, as shown in the enlarged view of FIG.
6 is formed in a conical shape, and the inside thereof is formed so that the inner diameter thereof is narrowed toward the front end side, so that the magnetic force lines are narrowed near the front end of the anode electrode 26,
A strong parallel magnetic field is formed (see FIG. 2).
【００２３】こうして得られた高磁束密度の平行磁場に
よって、電子のトラップ効果により図２に示すようにＰ
ＩＧ放電が集束され、プラズマ密度が上昇する。これに
より、イオンの閉じ込め時間を延ばすことができ、特に
多荷イオンの生成量を増大させることができる。尚、該
イオン源２０で生成されたイオンは、イオン源２０の外
側に配置された図示しない加速電極によって形成された
電場勾配によって加速される。The parallel magnetic field having a high magnetic flux density obtained in this manner causes the trapping effect of electrons to cause P as shown in FIG.
The IG discharge is focused and the plasma density increases. As a result, the ion confinement time can be extended, and in particular, the amount of generation of heavy ions can be increased. The ions generated by the ion source 20 are accelerated by an electric field gradient formed by an acceleration electrode (not shown) arranged outside the ion source 20.
【００２４】こうして、比較的低いアノード電流で高い
イオンビーム電流を得ることができ、低消費電力で高品
質のイオンビームを得ることができる。尚、実験によれ
ば、Ｈe2+ の生成効率が従来の４〜５倍に向上すること
が確認されている。また、ヘリウムに限らず、同一の高
磁束密度イオン源２０を用いて、イオン源内に多量の水
素ガスを導入し、プラズマ密度を少し低下させることに
より、高いＨ+ イオンビーム電流を得ることもできる。Thus, a high ion beam current can be obtained with a relatively low anode current, and a high quality ion beam can be obtained with low power consumption. According to experiments, it has been confirmed that the production efficiency of He 2+ is improved 4 to 5 times as compared with the conventional case. Not only helium but also a high H + ion beam current can be obtained by introducing a large amount of hydrogen gas into the ion source using the same high magnetic flux density ion source 20 to slightly lower the plasma density. .
【００２５】つまり、イオン源２０内に導入する中性ガ
スの種類、存在比率を選択することにより、１つのイオ
ン源で各種のイオンビームを高効率で得ることもでき
る。上記実施例ではアノード電極２６の先端形状は、図
１及び２に示す形状のものとして説明したが、アノード
電極の先端形状はこれに限らず、例えば、図３に示すよ
うに先端の内側も円錐筒状に形成してもよい。何れも、
アノード電極先端近傍に磁場を集束させるような形状と
するものであればよく、他の形状も可能である。That is, by selecting the type and the ratio of the neutral gas to be introduced into the ion source 20, various ion beams can be obtained with high efficiency by one ion source. In the above embodiment, the tip shape of the anode electrode 26 has been described as having the shape shown in FIGS. 1 and 2. However, the tip shape of the anode electrode is not limited to this. For example, as shown in FIG. It may be formed in a cylindrical shape. In each case,
Any shape may be used as long as the shape converges the magnetic field near the tip of the anode electrode, and other shapes are also possible.
【００２６】[0026]
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る高磁
束密度イオン源によれば、真空容器の廻りに磁石を配設
し、真空容器の一端部に高透磁率の磁性材料で形成した
第１のカソードを配設するとともに、前記真空容器の中
心軸上に高透磁率の磁性材料で形成した円柱状の第２の
カソードを配設し、第１、第２のカソードの中間部に高
透磁率の磁性材料で形成した円錐筒状のカーソドの先端
部を配設することにより、該アノード先端部近傍の磁束
を絞り込んで高磁束密度にすることができ、プラズマ密
度を高めることができる。As described above, according to the high magnetic flux density ion source of the present invention, a magnet is provided around a vacuum vessel, and one end of the vacuum vessel is formed of a magnetic material having high magnetic permeability. A first cathode is provided, and a cylindrical second cathode formed of a magnetic material having high magnetic permeability is provided on a central axis of the vacuum vessel, and is provided at an intermediate portion between the first and second cathodes. By arranging the tip of a conical cylindrical cursor formed of a magnetic material having high magnetic permeability, the magnetic flux near the anode tip can be reduced to a high magnetic flux density, and the plasma density can be increased. .
【００２７】更に、真空容器の内壁を形成する部材であ
る第１、第２のカソード及びアノードは、真空中で脱気
処理した高透磁性の磁性材料にニッケルメッキを施すよ
うにしたので、材料表面から重元素ガスが放出されるの
防止することができ、これにより、生成されたイオンの
寿命を延ばすことができ、前述のアノード先端近傍に高
磁束密度の磁場が形成されることによりを生じるイオン
捕獲効果と相まって、イオンの閉じ込め時間を延ばすこ
とができる。従って、比較的低いアノード電流で高いイ
オンビーム電流を得ることができ、低消費電力で高品質
のイオンビームを得ることができる。Further, the first and second cathodes and anodes, which are members forming the inner wall of the vacuum vessel, are made of nickel-plated highly magnetically permeable magnetic material which has been degassed in vacuum. Heavy element gases can be prevented from being released from the surface, thereby extending the life of the generated ions, which is caused by the formation of a high magnetic flux density magnetic field near the aforementioned anode tip. Combined with the ion trapping effect, the ion confinement time can be extended. Therefore, a high ion beam current can be obtained with a relatively low anode current, and a high quality ion beam can be obtained with low power consumption.
【００２８】尚、真空容器に導入する中性ガスの種類、
存在比率を選択することにより、１つのイオン源で各種
のイオンビームを高効率で得ることもできる。The type of neutral gas introduced into the vacuum vessel,
By selecting the abundance ratio, various ion beams can be obtained with high efficiency by one ion source.
【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]
【図１】本発明に係る高磁束密度イオン源の実施例の構
成を示す概略断面図FIG. 1 is a schematic sectional view showing the configuration of an embodiment of a high magnetic flux density ion source according to the present invention.
【図２】図１に示したアノード電極２６の先端近傍の拡
大断面図FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view near the tip of an anode electrode 26 shown in FIG.
【図３】本発明に係る高磁束密度イオン源の他の実施例
の構成を示す要部断面図FIG. 3 is a sectional view of a main part showing the configuration of another embodiment of the high magnetic flux density ion source according to the present invention.
【図４】従来のＰＩＧ型イオン源Ａの一例を示す概略構
造図FIG. 4 is a schematic structural diagram showing an example of a conventional PIG type ion source A.
【図５】従来のＰＩＧ型イオン源Ａのアノード電極の形
状例を示す外観斜視図FIG. 5 is an external perspective view showing a shape example of an anode electrode of a conventional PIG ion source A.
【図６】図４のイオン源Ａのアノード電極近傍のプラズ
マ発生状況を示す説明図FIG. 6 is an explanatory diagram showing a plasma generation state near an anode electrode of the ion source A of FIG. 4;
【符号の説明】 ２０…高磁束密度イオン源 ２２…石英管 ２４…高磁束密度マグネット（磁石） ２６…アノード電極（アノード） ２８…ターゲットカソード（第２のカソード） ２９…ターゲットカソードベース ３０…カソードベース（第１のカソード） ３０Ａ…イオンビーム引出孔（イオン取出部） ３１…アパチャ（第１のカソード） ３３、３５…絶縁スペーサ ３６…高電圧電源 ４０…プラズマ室（真空容器）[Description of Signs] 20 ... High magnetic flux density ion source 22 ... Quartz tube 24 ... High magnetic flux density magnet (magnet) 26 ... Anode electrode (anode) 28 ... Target cathode (second cathode) 29 ... Target cathode base 30 ... Cathode Base (first cathode) 30A ... Ion beam extraction hole (ion extraction section) 31 ... Aperture (first cathode) 33, 35 ... Insulating spacer 36 ... High voltage power supply 40 ... Plasma chamber (vacuum vessel)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三宅 善信 東京都三鷹市下連雀９丁目７番１号 株 式会社東京精密内 (72)発明者 稲葉 高男 東京都三鷹市下連雀９丁目７番１号 株 式会社東京精密内 (56)参考文献 特開 平２−5331（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−146231（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−266346（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−132036（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01J 27/00 - 27/26 H01J 37/08 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Yoshinobu Miyake 9-7-1, Shimorenjaku, Mitaka-shi, Tokyo Tokyo Inside Seiko Co., Ltd. (72) Takao Inaba Inventor Takao Inaba 9-7-1, Shimorenjaku, Mitaka-shi, Tokyo (56) References JP-A-2-5331 (JP, A) JP-A-1-146231 (JP, A) JP-A-3-266346 (JP, A) JP-A-1-132036 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01J 27/00-27/26 H01J 37/08
Claims (3)
該真空容器の中心軸と平行な磁場を発生させる磁石と、 前記真空容器のイオン取り出し側の端部に配設される第
１のカソードであって、高透磁率の磁性材料により形成
され、前記磁石からの磁束を導く磁気回路の一部を構成
するとともに、放電時に電子を放出する第１のカソード
と、 前記真空容器の内側において前記中心軸上に沿って配設
され、放電時に電子を放出する円柱状の第２のカソード
であって、高透磁率の磁性材料により形成され、後記ア
ノードの内側の漏れ磁場を吸収してその磁束をイオン取
り出し方向に向ける第２のカソードと、前記真空容器内で 前記第１及び第２のカソードの中間部
に配置される円錐筒状の先端部を有し、放電に必要な電
圧が印加されるアノードであって、高透磁率の磁性材料
で形成され、前記磁気回路の一部として前記先端部の近
傍に磁束を集め、前記先端部を挟んだ前記第１及び第２
のカソード間に放電を集中させて、前記第１及び第２の
カソードから放出される電子により前記中性ガスをプラ
ズマ化するアノードと、前記放電が発生する 前記アノードの先端部の近傍にてプ
ラズマ化された中性ガスのイオンを取り出すイオン取出
部と、を備えたことを特徴とする高磁束密度イオン源。1. A vacuum vessel into which a neutral gas is introduced, and a magnet disposed around the vacuum vessel and generating a magnetic field inside the vacuum vessel parallel to a central axis of the vacuum vessel. When, a first cathode that will be disposed at an end of the ion extraction side of the vacuum vessel, formed of a magnetic material having a high magnetic permeability, a part of the magnetic circuit for guiding the magnetic flux from the magnet structure
A first cathode that emits electrons at the time of discharge; and a second cylindrical cathode that is disposed along the central axis inside the vacuum vessel and emits electrons at the time of discharge , and It is formed of a magnetic material permeability, hereinafter a
Absorbs the leakage magnetic field inside the node and removes the magnetic flux
A second cathode directed towards Eject and has the conical tubular tip portion disposed at an intermediate portion of the first and second cathode in the vacuum vessel, electrostatic required discharge
An anode to which pressure is applied, which is formed of a magnetic material having high magnetic permeability, and which is close to the tip as a part of the magnetic circuit.
Collect the magnetic flux by the side, the first and second
Of the first and second
The neutral gas is pumped by electrons emitted from the cathode.
A high magnetic flux density ion source, comprising: an anode to be converted into a plasma; and an ion extraction unit for extracting ions of plasma neutral gas in the vicinity of the tip of the anode where the discharge occurs .
ド、及び前記アノードはそれぞれ、真空中で脱気処理を
行って不純物が除去された高透磁率の磁性材料で形成さ
れるとともに、ニッケルメッキが施されていることを特
徴とする請求項１の高磁束密度イオン源。2. The first cathode, the second cathode, and the anode are each formed of a high-permeability magnetic material from which impurities are removed by performing a degassing process in a vacuum, and a nickel material. 2. The high magnetic flux density ion source according to claim 1, wherein plating is performed.
を前記真空容器内に供給するためのガス導入孔が形成さGas introduction holes for supplying
れていることを特徴とする請求項１又は２の高磁束密度3. The high magnetic flux density according to claim 1, wherein
イオン源。Ion source.
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