JP3366402B2 - Electron beam excited negative ion source and negative ion generating method - Google Patents
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、ＮＢＩ加熱用の高速の
中性粒子の発生等に利用される負イオン源及び負イオン
発生方法に係り、特に電子ビーム励起による負イオン源
及び負イオン発生方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a negative ion source and a negative ion generating method used for generating high-speed neutral particles for NBI heating, and more particularly to a negative ion source and negative ion generating by electron beam excitation. Regarding the method.
【０００２】[0002]
【従来の技術】磁場の影響を受けない中性粒子を照射し
てプラズマを加熱するＮＢＩ加熱は、磁場閉じ込め型の
核融合プラズマを加熱する方法として最も確立された方
法である。2. Description of the Related Art NBI heating, which heats a plasma by irradiating neutral particles that are not influenced by a magnetic field, is the most established method for heating a magnetic field confinement type fusion plasma.
【０００３】また、一般にこのような高速の中性粒子を
発生させる方法としては、必要なエネルギーまで加速し
たイオンを、中性化セル（例えば内部に同種のガスが充
填されたガス中性化セル）に通す方法が用いられてい
る。高速イオンが中性化セルによって中性粒子に変換さ
れる割合が中性化効率であり、この中性化効率がＮＢＩ
加熱における総合効率に大きく影響する。In general, as a method of generating such high-speed neutral particles, ions accelerated to a required energy are neutralized by a neutralization cell (for example, a gas neutralization cell in which the same kind of gas is filled inside). ) Is used. The rate at which fast ions are converted into neutral particles by the neutralization cell is the neutralization efficiency, and this neutralization efficiency is the NBI.
It greatly affects the overall efficiency of heating.
【０００４】上記中性化効率は、水素の正イオン
（Ｈ+ ）を用いた場合、イオンビームのビームエネルギ
ーに依存し、ビームエネルギーの上昇に伴って急激に低
下する。このため、例えば 100 KeV／核子の場合でも、
中性化効率は20％以下となってしまう。When the positive ions (H + ) of hydrogen are used, the neutralization efficiency depends on the beam energy of the ion beam and sharply decreases as the beam energy increases. So, for example, even at 100 KeV / nucleon,
The neutralization efficiency will be less than 20%.
【０００５】これに対して、負イオン（例えば、Ｈ- 、
Ｄ- ）の場合には、ガス中性化セルの場合でも60％程度
の中性化効率を維持し、しかもエネルギー依存性がほと
んどない。また、プラズマを用いたプラズマ中性化セル
では80〜90％、レーザーによる電子の光脱離を利用する
光中性化セルでは95％以上の高い中性化効率を得られ
る。On the other hand, negative ions (for example, H − ,
D - In the case of) maintains the neutralizing efficiency of about 60% even if the gas neutralization cell, yet there is little energy dependence. In addition, a plasma neutralization cell using plasma can obtain a high neutralization efficiency of 80 to 90%, and a photoneutralization cell utilizing photodetachment of electrons by a laser can achieve a high neutralization efficiency of 95% or more.
【０００６】このため、従来から水素負イオン及び重水
素負イオン（以下、単に水素負イオンという。）を効率
よく発生させる装置及び方法の検討がなされている。For this reason, conventionally, studies have been made on an apparatus and a method for efficiently generating hydrogen negative ions and deuterium negative ions (hereinafter simply referred to as hydrogen negative ions).
【０００７】Ｈ- 生成には、振動励起分子Ｈ
2 （ｖ”）、高速電子（フィラメントから飛び出す一次
電子）ｅf 、低速のプラズマ電子ｅが関与し、次の２段
階過程が主要なＨ- 生成機構であると考えられている。For H - production, vibrationally excited molecule H
2 (v "), fast electrons (primary electrons jump out filament) e f, involve the slow plasma electrons e, the following two-step process leading H - is believed to be a generation mechanism.
【０００８】
Ｈ2 （基底状態ｖ”＝０）＋ｅf （40ev以上）
→Ｈ2 * （電子励起状態）＋ｅf ´ ……（１ａ）
Ｈ2 * →Ｈ2 （ｖ”）＋ｈν（真空紫外放射） ……（１ｂ）
Ｈ2 * （有効な振動準位ｖ”≧５〜６）＋ｅ（電子温度＝１eV程度）
→Ｈ- ＋Ｈ ……（２）
この反応の特徴は電子衝突励起によるＨ2 * （ｖ”）生
成過程（１）と解離付着反応による（２）のそれぞれに
最適な電子のエネルギーが大きく異なることである。[0008] H 2 (ground state v "= 0) + e f ( more 40ev) → H 2 * (excited states) + e f '...... (1a ) H 2 * → H 2 (v") + hν ( vacuum ultraviolet Radiation) …… (1b) H 2 * (effective vibrational level v ″ ≧ 5-6) + e (electron temperature = 1eV) → H − + H …… (2) The characteristic of this reaction is H due to electron collision excitation. The optimum electron energies for the 2 * (v ″) generation process (1) and the dissociative attachment reaction (2) are largely different.
【０００９】ところでＨ- の結合エネルギーは低いので
（約0.75ev）、付着した余分の電子は簡単にはぎ取られ
Ｈ- は消滅する。消滅過程には、
Ｈ- ＋ｅ→Ｈ＋２ｅ ……（３）
Ｈ- ＋ｅf →Ｈ＋ｅf ＋ｅ ……（４）
等の反応過程が考えられ、２〜３eV以上の電子に対して
その衝突断面積が急激に大きくなる。したがって負イオ
ンの消滅を抑える点では、電子温度は低い（１eV）方が
望ましい。By the way, since the binding energy of H − is low (about 0.75 ev), the attached extra electrons are easily stripped off and H − disappears. The annihilation process, H - + e → H + 2e ...... (3) H - + e f → H + e f + e ...... (4) reaction process or the like is considered, its collision cross section relative to the more electron 2~3eV Grows rapidly. Therefore, in order to suppress the disappearance of negative ions, it is desirable that the electron temperature is low (1 eV).
【００１０】上述のように２段階過程によるＨ- 生成に
直接関係する素過程（１）と（２）、Ｈ- 消滅に大きく
影響する電子衝突による脱離過程（３）と（４）は何れ
も電子との衝突過程であるが、それぞれ異なった電子エ
ネルギー依存性を持っており、その最適値は大きくずれ
ている。従って、負イオン密度を高める最も良い方法
は、イオン源をＨ2 * （ｖ”）生成域とＨ- 生成域との
２つの領域に分離して、それぞれの領域で電子エネルギ
ー分布を最適化することである。この方法をタンデム方
式といい、体積生成型負イオン源のほとんどがこの方式
を採用している。As described above, the elementary processes (1) and (2) directly related to the H - production by the two-step process, and the desorption processes (3) and (4) due to electron collision which greatly influence the H - annihilation are both. Are also collision processes with electrons, but they have different electron energy dependences, and their optimal values deviate greatly. Therefore, the best way to increase the negative ion density is to separate the ion source into two regions, H 2 * (v ″) production region and H − production region, and optimize the electron energy distribution in each region. This method is called the tandem method, and most volume generation type negative ion sources adopt this method.
【００１１】従来の水素負イオンの発生装置としては、
図１１及び図１２に示すようなバケット型（フィラメン
トタイプ）のイオン源が知られている。これらの図に示
される装置は、水素プラズマ室１内に設けられたフィラ
メント（陰極）２と、水素プラズマ室１壁（陽極）との
間のアーク放電によりプラズマを生成する。水素プラズ
マ室１外周部には永久磁石を並べて直線カスプ磁場が構
成され、フィラメント２からの高速一次電子並びに生成
プラズマの磁場閉じ込めが効率良く行われている。As a conventional hydrogen negative ion generator,
A bucket type (filament type) ion source as shown in FIGS. 11 and 12 is known. The apparatus shown in these figures generates plasma by arc discharge between a filament (cathode) 2 provided in the hydrogen plasma chamber 1 and a wall (anode) of the hydrogen plasma chamber 1. A linear cusp magnetic field is formed by arranging permanent magnets on the outer peripheral portion of the hydrogen plasma chamber 1, so that the magnetic fields of the fast primary electrons from the filament 2 and the generated plasma are efficiently confined.
【００１２】また、チャンバ１内には磁気フィルタ３が
設けられている。磁気フィルタ３は、局在した横又は縦
磁場からなり、例えば、パイプ中に永久磁石を詰めたロ
ッドを間隔を設けて配列して構成されている。ロッド間
の中心磁場強度は50〜70ガウスであり、イオンは磁化さ
れず、電子のみが磁化される程度の強さとされている。
この磁気フィルタ３には、高速電子を選択的に反射して
低速電子のみを透過させる働きがある。このため、チャ
ンバ１内は、熱フィラメント２から飛び出した高速一次
電子によるプラズマ生成とＨ2 * （ｖ”）生成が行われ
るソース領域１ａと高速電子が遮断されて電子温度Ｔe
の低い（１eV以下）Ｈ- 生成領域１ｂの２つに空間的に
分離される。なお、図１１及び図１２において、４はイ
オン引き出しのための電極である。A magnetic filter 3 is provided in the chamber 1. The magnetic filter 3 is composed of a localized horizontal or vertical magnetic field, and is constituted by, for example, arranging rods in which permanent magnets are packed in a pipe at intervals. The central magnetic field strength between the rods is 50 to 70 gauss, and it is said that ions are not magnetized but only electrons are magnetized.
The magnetic filter 3 has a function of selectively reflecting high-speed electrons and transmitting only low-speed electrons. Therefore, in the chamber 1, high-speed electrons are cut off from the source region 1a where plasma and H 2 * (v ″) are generated by the high-speed primary electrons jumping out from the hot filament 2, and the electron temperature T e
Low (1 eV or less) H - are spatially separated into two generation region 1b. In FIGS. 11 and 12, 4 is an electrode for extracting ions.
【００１３】[0013]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の装置では、以下のような問題がある。However, the above-mentioned conventional device has the following problems.
【００１４】すなわち、まず、従来の装置では、水素ガ
スから水素負イオン（Ｈ- ）生成の前段階である励起状
態の水素分子（Ｈ2 * ）を生成する効率の高い40eV以上
の高速電子の割合が少ない（１％程度）ため、大電流
（数百Ａ）のアーク放電が必要となり、効率が悪い。ま
た、熱負荷が大きいため、真空チャンバ及び負イオン加
速部の冷却が大変であり、さらに熱負荷に耐えられない
ため連続運転が困難である。That is, first, in the conventional apparatus, a high-speed electron of 40 eV or more, which has a high efficiency of generating hydrogen molecules (H 2 * ) in an excited state, which is a pre-stage of generation of hydrogen negative ions (H − ) from hydrogen gas. Since the ratio is small (about 1%), a large current (several hundred A) of arc discharge is required, resulting in poor efficiency. In addition, since the heat load is large, it is difficult to cool the vacuum chamber and the negative ion accelerator, and it is difficult to withstand the heat load, which makes continuous operation difficult.
【００１５】また、プラズマ生成効率が低いため、水素
ガス圧を高くしないと実用的なＨ-量を引き出せない
が、水素ガス圧が高くなると装置の排気容量が大きくな
るばかりでなく、Ｈ- 引き出し部やＨ- 加速部での残留
ガスとの衝突により、Ｈ- の中性化が起こり、Ｈ- が消
滅してしまうため、効率よく大量のＨ- を発生させるこ
とができない。Further, since the plasma generation efficiency is low, practical H not to increase the hydrogen gas pressure - but not pulled out the amount, not only the exhaust capacity of the device and the hydrogen gas pressure is increased becomes larger, H - drawers by collisions with residual gas in the acceleration section, H - - parts and H occur neutralization of, H - it is because disappear, efficient mass of H - can not be generated.
【００１６】また、フィラメント加熱のための電流が大
きく、大電流の放電を必要とするため、フィラメントの
寿命が短くなり、メンテナンスコストが増大するととも
に連続運転が困難となる。Further, since the current for heating the filament is large and the discharge of a large current is required, the life of the filament is shortened, the maintenance cost increases, and continuous operation becomes difficult.
【００１７】消耗したフィラメント材料がプラズマ中に
不純物として混入し、電極上に不純物として堆積して、
動作不良（プラズマ不安定、絶縁不良）を引き起こす。The exhausted filament material is mixed in the plasma as impurities and deposited on the electrodes as impurities,
It causes malfunction (plasma instability, insulation failure).
【００１８】本発明は、かかる従来の事情に対処してな
されたもので、効率よく大量の負イオンを安定的に発生
させることができ、低コストで連続運転可能な電子ビー
ム励起負イオン源及び負イオン発生方法を提供しようと
するものである。The present invention has been made in response to such a conventional situation, and it is possible to efficiently and stably generate a large amount of negative ions, and an electron beam excitation negative ion source capable of continuous operation at low cost, and It is intended to provide a method for generating negative ions.
【００１９】[0019]
【課題を解決するための手段】すなわち、請求項１記載
の電子ビーム励起負イオン源は、プラズマ発生領域で発
生させたプラズマから電子を引き出して加速し、電子ビ
ームを発生させる電子ビーム発生機構であって、電子を
加速するための加速電圧をパルス状に印加する電源を具
備した電子ビーム発生機構と、負イオンを生成するガス
のガス供給機構を有し、このガス供給機構から供給され
たガスに、前記電子ビーム発生機構で発生させた電子ビ
ームを照射して負イオンを発生させるプラズマ室と前記
プラズマ室内から負イオンを引き出す引き出し機構とを
具備したことを特徴とする。 That is, the electron beam excited negative ion source according to claim 1 is an electron beam generating mechanism for generating an electron beam by extracting and accelerating electrons from the plasma generated in the plasma generation region. There is an electron
It has a power supply that applies an accelerating voltage in pulses to accelerate it.
It has a provided electron beam generation mechanism and a gas supply mechanism for a gas that generates negative ions, and the gas supplied from this gas supply mechanism is irradiated with the electron beam generated by the electron beam generation mechanism to produce negative ions. it characterized by comprising a plasma chamber for generating a pull-out mechanism drawing out the negative ions from the plasma chamber to.
【００２０】[0020]
【００２１】請求項２記載の発明は、請求項１記載の電
子ビーム励起負イオン源において、高速電子を反射し、
低速電子を通過させる磁気フィルタが前記プラズマ室内
に配置されていることを特徴とする。 The invention according to claim 2 is the power supply according to claim 1.
Reflection of high-speed electrons in a child-beam-excited negative ion source ,
Magnetic filter for passing low-speed electrons you characterized in that disposed in the plasma chamber.
【００２２】請求項３記載の発明は、請求項１記載の電
子ビーム励起負イオン源において、前記プラズマ室内に
磁場を形成し、前記電子ビーム発生機構からの高速電子
の動きを制限することにより、プラズマ室内に高速電子
が多く存在する領域を形成する磁場形成機構を具備した
ことを特徴とする。 The invention according to claim 3 is the power supply according to claim 1.
In the child beam excitation negative ion source, a magnetic field forming mechanism forms a magnetic field in the plasma chamber and limits the movement of high-speed electrons from the electron beam generating mechanism to form a region where many high-speed electrons exist in the plasma chamber. it characterized by comprising a.
【００２３】請求項４記載の発明は、請求項１記載の電
子ビーム励起負イオン源において、前記プラズマ室内に
磁場を形成し、前記電子ビーム発生機構からの高速電子
を板状の領域に閉じ込める磁場形成機構を具備したこと
を特徴とする。 [0023] The invention according to claim 4 is the power supply according to claim 1.
In the child-beam excited negative ion source, to form a magnetic field to the plasma chamber, characterized by comprising a magnetic field forming mechanism that confines the fast electrons from the electron beam generating mechanism in the plate-like region.
【００２４】請求項５記載の発明は、請求項１記載の電
子ビーム励起負イオン源において、前記電子ビーム発生
機構からの高速電子を板状の領域に発生させるスリット
状の電子ビーム加速電極を具備したことを特徴とする。 The invention according to claim 5 is the electric power according to claim 1.
In the child-beam excited negative ion sources, it characterized by comprising a slit-shaped electron beam accelerating electrode of the high-speed electrons is generated in the plate-like region from the electron beam generating mechanism.
【００２５】請求項６記載の発明は、請求項１〜５いず
れか１項記載の電子ビーム励起負イオン源において、前
記電子ビーム発生機構を複数具備したことを特徴とす
る。 The invention according to claim 6 is any one of claims 1 to 5.
The electron-beam-excited negative ion source according to any one of claims 1 to 3, wherein a plurality of the electron-beam generating mechanisms are provided.
It
【００２６】請求項７記載の発明は、請求項１記載の電
子ビーム励起負イオン源において、前記負イオンを生成
するガスは、水素ガスであることを特徴とする。 The invention according to claim 7, electrodeposition of claim 1, wherein
In the child-beam excited negative ion source gas for generating the negative ions, you being a hydrogen gas.
【００２７】請求項８記載の電子ビーム励起負イオン発
生方法は、放電によって発生させたプラズマからパルス
状に電子を引き出し加速して電子ビームを発生させ、こ
のパルス状の電子ビームを、負イオンを生成するガス雰
囲気とされたプラズマ室内に照射するとともに、プラズ
マ室内に磁場を形成してこのプラズマ室内を高速電子の
多く存在する領域と低速電子の多く存在する領域とに分
離することを特徴とする。 Electron beam excited negative ion generation according to claim 8
Raw method is pulsed from plasma generated by discharge
The electrons are extracted in a circular shape and accelerated to generate an electron beam, and this pulsed electron beam is irradiated into the plasma chamber in which the gas atmosphere for generating negative ions is formed, and at the same time, a magnetic field is formed in the plasma chamber. the you and separating into a region where there are many areas and slow electrons present many high-speed electrons.
【００２８】請求項９記載の電子ビーム励起負イオン発
生方法は、プラズマ室内に負イオンを生成するガスを供
給するとともに、放電によって発生させたプラズマから
パルス状に電子を引き出し加速して発生させたパルス状
の電子ビームを、前記プラズマ室内のガスに照射するこ
とを特徴とする。 Electron beam excited negative ion emission according to claim 9
The raw method is to supply a gas that generates negative ions into the plasma chamber, and to extract a pulsed electron from the plasma generated by the discharge to accelerate and generate a pulsed electron beam to the gas inside the plasma chamber. you and irradiating.
【００２９】[0029]
【００３０】請求項１０記載の発明は、請求項８〜９い
ずれか１項記載の電子ビーム励起負イオン発生方法にお
いて、前記負イオンを生成するガスは、水素ガスである
ことを特徴とする。 The invention according to claim 10 is the invention according to claims 8 to 9.
The electron beam excitation negative ion generation method described in the paragraph 1
There are, gas for generating the negative ions, you being a hydrogen gas.
【００３１】[0031]
【作用】上記構成の本発明の電子ビーム励起負イオン源
及び負イオン発生方法では、高速の電子を大量に水素ガ
ス等の負イオンを生成するガスに照射することができ、
効率よく大量の負イオンを安定的に発生させることがで
きる。したがって、熱的な負荷も少なく、低コストで、
かつ、長時間に亘って連続運転を行うことができる。In the electron beam excitation negative ion source and the negative ion generating method of the present invention having the above structure, a large amount of high-speed electrons can be irradiated to a gas generating negative ions such as hydrogen gas,
It is possible to efficiently and stably generate a large amount of negative ions. Therefore, the thermal load is low, the cost is low,
Moreover, continuous operation can be performed for a long time.
【００３２】[0032]
【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【００３３】図１は、本発明の一実施例の電子ビーム励
起負イオン源の構成を示すもので、同図において１０は
電子ビーム発生機構である。FIG. 1 shows the structure of an electron beam excited negative ion source according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, 10 is an electron beam generation mechanism.
【００３４】この電子ビーム発生機構１０は、円筒状に
形成された気密容器１１を具備しており、この気密容器
１１内には、陰極１２、補助電極１３、陽極１４、加速
電極１５が、この順で配置されている。また、陰極１２
の近傍には、所定のプラズマ生成用ガス、例えば、水素
ガスあるいはアルゴンガスを導入するためのガス導入口
１６が設けられており、陽極１４と加速電極１５との間
には、図示しない排気ポンプに接続された排気口１７が
設けられている。さらに、気密容器１１の外側には、コ
イル１８が配設されており、気密容器１１の軸方向に沿
って、電子をガイドするための磁場を形成するよう構成
されている。The electron beam generating mechanism 10 is provided with an airtight container 11 formed in a cylindrical shape. Inside the airtight container 11, a cathode 12, an auxiliary electrode 13, an anode 14, and an acceleration electrode 15 are provided. They are arranged in order. In addition, the cathode 12
Is provided with a gas inlet 16 for introducing a predetermined plasma generating gas, for example, hydrogen gas or argon gas, and an exhaust pump (not shown) is provided between the anode 14 and the acceleration electrode 15. An exhaust port 17 connected to is provided. Further, a coil 18 is arranged outside the airtight container 11, and is configured to form a magnetic field for guiding electrons along the axial direction of the airtight container 11.
【００３５】なお、同図において１９、２０、２１はそ
れぞれ陰極用電源、放電電源、加速電源である。また、
図中、陰極１２と陽極１４との間が放電領域、陽極１４
と加速電極１５との間が加速領域となっている。In the figure, reference numerals 19, 20, and 21 denote a cathode power source, a discharge power source, and an acceleration power source, respectively. Also,
In the figure, the discharge region is between the cathode 12 and the anode 14, and the anode 14
An acceleration region is between the acceleration electrode 15 and the acceleration electrode 15.
【００３６】上記電子ビーム発生機構１０は、真空容器
（水素プラズマ室）３０に接続されている。この水素プ
ラズマ室３０は、水素ガス導入口３１及び排気口３２を
具備しており、内部を所望圧力の水素ガス雰囲気に設定
可能に構成されている。また、水素プラズマ室３０の内
部には、磁気フィルタ３３及びイオン引き出し用の電極
３４、３５が配設されており、水素プラズマ室３０の外
部には、多極磁場を形成するための磁石３６及び逆磁場
形成コイル３７が配設されている。なお、電極３４はフ
ローティング電位に設定され、電極３５は電源３８によ
って正電位に設定される。The electron beam generating mechanism 10 is connected to a vacuum container (hydrogen plasma chamber) 30. The hydrogen plasma chamber 30 is provided with a hydrogen gas inlet 31 and an exhaust port 32, and the inside of the hydrogen plasma chamber 30 can be set to a hydrogen gas atmosphere having a desired pressure. A magnetic filter 33 and electrodes 34 and 35 for extracting ions are arranged inside the hydrogen plasma chamber 30, and a magnet 36 and a magnet 36 for forming a multi-pole magnetic field are provided outside the hydrogen plasma chamber 30. A reverse magnetic field forming coil 37 is provided. The electrode 34 is set to the floating potential, and the electrode 35 is set to the positive potential by the power supply 38.
【００３７】上記構成のこの実施例では、電子ビーム発
生機構１０のガス導入口１６から、水素ガスあるいはア
ルゴンガスを導入するとともに、排気口１７から排気を
行って、気密容器１１内を所定の減圧雰囲気とし、陰極
１２と陽極１４との間に放電を生じさせてプラズマを発
生させる。そして、加速電極１５に印加された加速電圧
によって、このプラズマから電子を引き出し、加速して
電子ビームを発生させる。In this embodiment having the above-mentioned structure, hydrogen gas or argon gas is introduced from the gas inlet 16 of the electron beam generating mechanism 10 and exhaust is performed from the exhaust port 17 to reduce the pressure in the airtight container 11 to a predetermined pressure. An atmosphere is generated, and discharge is generated between the cathode 12 and the anode 14 to generate plasma. Then, the accelerating voltage applied to the accelerating electrode 15 causes electrons to be extracted from the plasma and accelerated to generate an electron beam.
【００３８】一方、水素プラズマ室３０においては、水
素ガス導入口３１から水素ガスを導入するとともに、排
気口３２から排気を行って、内部を所定圧力の水素ガス
雰囲気に設定しておく。On the other hand, in the hydrogen plasma chamber 30, hydrogen gas is introduced from the hydrogen gas inlet 31 and exhausted from the exhaust port 32 to set the inside to a hydrogen gas atmosphere having a predetermined pressure.
【００３９】これによって、電子ビーム発生機構１０か
らの電子ビームが、水素プラズマ室３０内の水素ガスに
照射される。この時、電子ビームは、逆磁場形成コイル
３７による逆磁場によって、広げられるとともに、磁石
３６による多極磁場によって反射され、水素プラズマ室
３０内に均一な状態で閉じ込められる。また、高速電子
は磁気フィルタ３３によって反射され、低速電子はこの
磁気フィルタ３３を通過するため、磁気フィルタ３３の
一方側（電極３４側）が低速電子の存在領域、反対側
（電子ビーム発生機構１０側）が高速電子の存在領域と
なる。そして、高速電子の存在領域において、励起状態
の水素分子（Ｈ2 * ）が効率よく生成され、低速電子の
存在領域において、励起状態の水素分子からＨ- が効率
よく生成される。As a result, the electron beam from the electron beam generating mechanism 10 irradiates the hydrogen gas in the hydrogen plasma chamber 30. At this time, the electron beam is expanded by the reverse magnetic field generated by the reverse magnetic field forming coil 37, reflected by the multi-pole magnetic field generated by the magnet 36, and confined in the hydrogen plasma chamber 30 in a uniform state. Further, since the high-speed electrons are reflected by the magnetic filter 33 and the low-speed electrons pass through the magnetic filter 33, one side (the electrode 34 side) of the magnetic filter 33 is in the low-speed electron existence region and the other side (the electron beam generating mechanism 10 The side) is the region where high-speed electrons exist. Excited hydrogen molecules (H 2 * ) are efficiently generated in the region where fast electrons exist, and H − is efficiently generated from the excited hydrogen molecules in the region where slow electrons exist.
【００４０】生成されたＨ- 及び電子は、電極３４、３
５を通って引き出され、この後磁場によって電子が偏向
され除去されて、Ｈ- のみが中性化セルに導入される。The generated H − and electrons are transferred to the electrodes 34, 3
5 through which the electrons are deflected and removed by the magnetic field, after which only H − is introduced into the neutralization cell.
【００４１】ここで、前述したように、水素ガスから励
起状態の水素分子を効率よく生成するためには、40eV以
上の高速電子が必要となる。本実施例においては、加速
電源２１による加速電圧を100Vとした場合でも、40eV以
上の高速電子の割合を約20％とすることができた。この
値は、前述した従来の装置の場合より一桁多い。また、
数十eV（＞40eV）の電子は何度もＨ2 * 生成に寄与する
ことを考慮すれば、本実施例によれば、従来の装置の数
十分の一のアーク電流で、従来と同様なＨ2 *量、Ｈ-
量を得られる。Here, as described above, in order to efficiently generate hydrogen molecules in the excited state from hydrogen gas, fast electrons of 40 eV or more are required. In this example, even when the acceleration voltage by the acceleration power source 21 was 100 V, the proportion of high-speed electrons of 40 eV or more could be about 20%. This value is an order of magnitude higher than in the case of the conventional device described above. Also,
Considering that an electron of several tens eV (> 40 eV) contributes to H 2 * generation many times, according to the present embodiment, the arc current is several tenth of that of the conventional device, and the same as the conventional one. such H 2 * amount, H -
You can get the amount.
【００４２】これによって、熱的な負荷が減少し、連続
運転が可能となるとともに、装置の小形化が可能とな
り、また、フィラメント寿命も長期化される。As a result, the thermal load is reduced, continuous operation is possible, the apparatus can be downsized, and the filament life is extended.
【００４３】なお、上記実施例では、電子ビーム発生機
構１０を１つのみ設置した場合について説明したが、図
２及び図３に示すように、電子ビーム発生機構１０は２
つあるいはそれ以上設置することもできる。これによっ
て、さらに大量の高速電子を発生させることができ、大
面積化等にも対応できる。In the above embodiment, the case where only one electron beam generating mechanism 10 is installed has been described. However, as shown in FIGS. 2 and 3, the electron beam generating mechanism 10 has two electron beam generating mechanisms.
It is also possible to install one or more. As a result, a large amount of high-speed electrons can be generated, and it is possible to cope with a large area.
【００４４】また、図４に示すように、加速電源２１と
して、パルス状に電圧を印加するパルス電源を用いる
と、パルス電圧印加時に発生する高速電子が励起状態の
水素分子（Ｈ2 * ）を効率良く生成する。パルスがオフ
になると高速電子は存在しなくなり、低速電子と寿命の
長いＨ2 * が結合してＨ- が効率良く生成される。この
ため、水素プラズマ室３０内の磁気フィルタ３３を省略
することも可能となり、この場合、磁気フィルタ３３に
よる損失がなくなるので、さらに効率を向上させること
が可能となる。Further, as shown in FIG. 4, when a pulse power source for applying a voltage in a pulsed manner is used as the acceleration power source 21, fast electrons generated at the time of applying the pulse voltage generate hydrogen molecules (H 2 * ) in an excited state. Generate efficiently. When the pulse is turned off, the fast electrons do not exist, and the slow electrons and the long-lived H 2 * combine to efficiently generate H − . For this reason, the magnetic filter 33 in the hydrogen plasma chamber 30 can be omitted, and in this case, the loss due to the magnetic filter 33 is eliminated, so that the efficiency can be further improved.
【００４５】また、図５に示すように、水素プラズマ室
３０の外部に配設したコイル４０等で、水素プラズマ室
３０内に強い磁場Ｂを形成すれば、この磁場Ｂの近傍に
高速電子の多い領域を形成することができ、低速電子の
多い領域と分けることができる。Further, as shown in FIG. 5, when a strong magnetic field B is formed in the hydrogen plasma chamber 30 by a coil 40 or the like arranged outside the hydrogen plasma chamber 30, high-speed electrons are generated in the vicinity of the magnetic field B. A region with many electrons can be formed and can be separated from a region with many slow electrons.
【００４６】さらに、水素プラズマ室３０内部の圧力を
上昇させれば、図６に示すように、電子ビーム発生機構
１０より、水素プラズマ室３０内に射出された高速電子
が、ガス分子との衝突により、次第にエネルギーを喪失
しながら電極３４、３５の方向へ移行するので、電子ビ
ーム発生機構１０近傍に高速電子の多い領域、電極３４
側に低速電子の多い領域を形成することができる。When the pressure inside the hydrogen plasma chamber 30 is further increased, as shown in FIG. 6, high-speed electrons emitted from the electron beam generating mechanism 10 into the hydrogen plasma chamber 30 collide with gas molecules. As a result, the energy gradually shifts toward the electrodes 34, 35, so that the area near the electron beam generating mechanism 10 where there are many high-speed electrons, the electrode 34
A region with many low-speed electrons can be formed on the side.
【００４７】また、図７及び図８に示すように、磁石５
０等で、電子ビーム発生機構１０からの電子を薄板状
（シート状）の領域に閉じ込めるようにすれば、薄板状
のプラズマＰを発生させることができる。これによっ
て、平板状の電極３４、３５から均一にＨ- を引き出す
ことができ、空間分布の均一なＨ- を得ることができ
る。このような薄板状のプラズマＰを発生させる構成と
しては、図９及び図１０に示すように、スリット状の開
口１５ａを有する加速電極１５を用いてもよい。As shown in FIGS. 7 and 8, the magnet 5
If the electrons from the electron beam generating mechanism 10 are confined to 0 in the thin plate-shaped (sheet-shaped) region, the thin plate-shaped plasma P can be generated. As a result, H − can be uniformly extracted from the flat plate-shaped electrodes 34 and 35, and H − having a uniform spatial distribution can be obtained. As a configuration for generating such a thin plate-shaped plasma P, an accelerating electrode 15 having a slit-shaped opening 15a may be used as shown in FIGS. 9 and 10.
【００４８】なお、上述した各実施例では、本発明を水
素負イオンの発生に適用した場合について説明したが、
例えば重水素負イオン等他の負イオンに対しても同様に
して適用することが可能である。In each of the embodiments described above, the case where the present invention is applied to the generation of negative hydrogen ions has been described.
For example, the same can be applied to other negative ions such as deuterium negative ions.
【００４９】[0049]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
効率よく大量の負イオンを安定的に発生させることがで
き、低コストで連続運転可能な電子ビーム励起負イオン
源及び負イオン発生方法を提供することができる。As described above, according to the present invention,
It is possible to efficiently and stably generate a large amount of negative ions, and to provide an electron beam excitation negative ion source and a negative ion generating method that can be continuously operated at low cost.
【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]
【図１】本発明の一実施例の電子ビーム励起水素負イオ
ン発生装置の構成を示す図。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an electron beam excited hydrogen negative ion generator according to an embodiment of the present invention.
【図２】本発明の他の実施例の電子ビーム励起水素負イ
オン発生装置の構成を示す図。FIG. 2 is a diagram showing the configuration of an electron beam excited hydrogen negative ion generator according to another embodiment of the present invention.
【図３】本発明の他の実施例の電子ビーム励起水素負イ
オン発生装置の構成を示す図。FIG. 3 is a diagram showing the configuration of an electron beam excited hydrogen negative ion generator according to another embodiment of the present invention.
【図４】本発明の他の実施例の電子ビーム励起水素負イ
オン発生装置の構成を示す図。FIG. 4 is a diagram showing the configuration of an electron beam excited hydrogen negative ion generator according to another embodiment of the present invention.
【図５】本発明の他の実施例の電子ビーム励起水素負イ
オン発生装置の構成を示す図。FIG. 5 is a view showing the arrangement of an electron beam excited hydrogen negative ion generator according to another embodiment of the present invention.
【図６】本発明の他の実施例の電子ビーム励起水素負イ
オン発生装置の構成を示す図。FIG. 6 is a view showing the arrangement of an electron beam excited hydrogen negative ion generator according to another embodiment of the present invention.
【図７】本発明の他の実施例の電子ビーム励起水素負イ
オン発生装置の構成を示す図。FIG. 7 is a diagram showing the configuration of an electron beam excited hydrogen negative ion generator according to another embodiment of the present invention.
【図８】図７の電子ビーム励起水素負イオン発生装置の
平面構成を示す図。FIG. 8 is a diagram showing a planar configuration of the electron beam excited hydrogen negative ion generator shown in FIG. 7.
【図９】本発明の他の実施例の電子ビーム励起水素負イ
オン発生装置の構成を示す図。FIG. 9 is a diagram showing the configuration of an electron beam excited hydrogen negative ion generator according to another embodiment of the present invention.
【図１０】図９の電子ビーム励起水素負イオン発生装置
の要部構成を示す図。FIG. 10 is a view showing a main configuration of the electron beam excited hydrogen negative ion generator shown in FIG. 9.
【図１１】従来の装置の構成を示す図。FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a conventional device.
【図１２】従来の装置の構成を示す図。FIG. 12 is a diagram showing a configuration of a conventional device.
１０ 電子ビーム発生機構 １１ 気密容器 １２ 陰極 １３ 補助電極 １４ 陽極 １５ 加速電極 ３０ 水素プラズマ室 ３１ 水素ガス導入口 ３２ 排気口 ３３ 磁気フィルタ ３３，３４ イオン引き出し用の電極 10 Electron beam generation mechanism 11 airtight container 12 cathode 13 Auxiliary electrode 14 Anode 15 Accelerating electrode 30 Hydrogen plasma chamber 31 Hydrogen gas inlet 32 exhaust port 33 Magnetic filter 33,34 Electrodes for extracting ions
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｈ０５Ｈ 7/08 Ｈ０５Ｈ 7/08 (72)発明者 龍治 真 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工 業株式会社明石工場内 (72)発明者 長谷川 猛 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工 業株式会社明石工場内 (72)発明者 東海 正國 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工 業株式会社明石工場内 (56)参考文献 特開 昭61−290629（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−49139（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−159894（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−265150（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−133700（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−159937（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01J 37/08 H01J 27/20 H01J 27/14 H05H 7/08 G21B 1/00 G21K 1/00 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI H05H 7/08 H05H 7/08 (72) Inventor Ryuji Makoto 1-1 Kawasaki-cho, Akashi-shi, Hyogo Kawasaki Heavy Industries, Ltd. Akashi Plant (72) Inventor Takeshi Hasegawa 1-1 Kawasaki-cho, Akashi-shi, Hyogo Prefecture Kawasaki Heavy Industries, Ltd. Akashi factory (72) Inventor Masakuni Tokai 1-1, Kawasaki-cho, Akashi-shi, Hyogo Akashi Kawasaki Industry Co., Ltd. In-factory (56) Reference JP 61-290629 (JP, A) JP 59-49139 (JP, A) JP 5-159894 (JP, A) JP 2-265150 (JP, A) ) JP-A-60-133700 (JP, A) JP-A-1-159937 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H01J 37/08 H01J 27/20 H01J 27 / 14 H05H 7/08 G21B 1/00 G21K 1/00
Claims (10)
から電子を引き出して加速し、電子ビームを発生させる
電子ビーム発生機構であって、電子を加速するための加
速電圧をパルス状に印加する電源を具備した電子ビーム
発生機構と、 負イオンを生成するガスのガス供給機構を有し、このガ
ス供給機構から供給されたガスに、前記電子ビーム発生
機構で発生させた電子ビームを照射して負イオンを発生
させるプラズマ室と前記プラズマ室内から負イオンを引
き出す引き出し機構とを具備したことを特徴とする電子
ビーム励起負イオン源。1. An electron beam generating mechanism for generating an electron beam by extracting and accelerating an electron from plasma generated in a plasma generation region, wherein an electron beam generating mechanism
An electron beam equipped with a power supply for applying a fast voltage in a pulsed manner
A plasma that has a generation mechanism and a gas supply mechanism for a gas that generates negative ions, and irradiates the gas supplied from this gas supply mechanism with the electron beam generated by the electron beam generation mechanism to generate negative ions. An electron beam excited negative ion source comprising a chamber and an extraction mechanism for extracting negative ions from the plasma chamber.
る磁気フィルタが前記プラズマ室内に配置されているこ
とを特徴とする請求項１記載の電子ビーム励起負イオン
源。2. A reflective high speed electron, electron-beam excited negative ions source according to claim 1 Symbol placing magnetic filter is characterized in that it is disposed in the plasma chamber for passing low-speed electrons.
電子ビーム発生機構からの高速電子の動きを制限するこ
とにより、プラズマ室内に高速電子が多く存在する領域
を形成する磁場形成機構を具備したことを特徴とする請
求項１記載の電子ビーム励起負イオン源。3. A magnetic field forming mechanism for forming a region in which a large number of high-speed electrons are present in the plasma chamber by forming a magnetic field in the plasma chamber and limiting the movement of high-speed electrons from the electron beam generating mechanism. electron-beam excited negative ions source according to claim 1 Symbol mounting, characterized in that.
電子ビーム発生機構からの高速電子を板状の領域に閉じ
込める磁場形成機構を具備したことを特徴とする請求項
１記載の電子ビーム励起負イオン源。4. A magnetic field forming mechanism for forming a magnetic field in the plasma chamber and confining high-speed electrons from the electron beam generating mechanism in a plate-shaped region.
1 Symbol electron-beam excited negative ion source mounting.
を板状の領域に発生させるスリット状の電子ビーム加速
電極を具備したことを特徴とする請求項１記載の電子ビ
ーム励起負イオン源。5. The electron-beam excited negative ions source according to claim 1 Symbol mounting, characterized by comprising a slit-shaped electron beam accelerating electrode of the high-speed electrons is generated in the plate-like region from the electron beam generating mechanism.
ことを特徴とする請求項１〜５いずれか１項記載の電子
ビーム励起負イオン源。Wherein said electron-beam excited negative ions source according to claim 1 to 5 or 1, wherein said electron beam to the generating mechanism and a plurality equipped.
スであることを特徴とする請求項１記載の電子ビーム励
起負イオン源。7. The electron beam excited negative ion source according to claim 1, wherein the gas generating the negative ions is hydrogen gas.
ルス状に電子を引き出し加速して電子ビームを発生さ
せ、このパルス状の電子ビームを、負イオンを生成する
ガス雰囲気とされたプラズマ室内に照射するとともに、
プラズマ室内に磁場を形成してこのプラズマ室内を高速
電子の多く存在する領域と低速電子の多く存在する領域
とに分離することを特徴とする電子ビーム励起負イオン
発生方法。8. A path from the plasma generated by the discharge
Electrons are extracted in a loose shape to generate an electron beam by accelerating, and this pulsed electron beam is irradiated into a plasma chamber in a gas atmosphere that produces negative ions.
An electron beam excited negative ion generation method characterized in that a magnetic field is formed in a plasma chamber to separate the plasma chamber into a region where many fast electrons exist and a region where many slow electrons exist.
を供給するとともに、 放電によって発生させたプラズマからパルス状に電子を
引き出し加速して発生させたパルス状の電子ビームを、
前記プラズマ室内のガスに照射することを特徴とする電
子ビーム励起負イオン発生方法。9. A pulsed electron beam generated by accelerating a pulsed electron from a plasma generated by discharge while supplying a gas generating negative ions into the plasma chamber,
A method for generating negative ions by electron beam excitation, which comprises irradiating a gas in the plasma chamber.
ガスであることを特徴とする請求項８〜９いずれか１項
記載の電子ビーム励起負イオン発生方法。10. A gas for generating the negative ions, electron-beam excited negative ions generation method according to any one of claims 8-9, characterized in that a hydrogen gas.
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