JP3666768B2

JP3666768B2 - Charge conversion cell

Info

Publication number: JP3666768B2
Application number: JP26663296A
Authority: JP
Inventors: ラフォンタインマービン; トコロノブヒロ; クオットリーニビクター; ビソネットダニエル; サカセタカオ
Original assignee: バリアン・セミコンダクター・エクイップメント・アソシエイツ・インコーポレイテッド
Priority date: 1995-09-22
Filing date: 1996-09-18
Publication date: 2005-06-29
Anticipated expiration: 2016-09-18
Also published as: JPH09171777A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はタンデムアクセラレータを採用したイオン注入装置に用いられる荷電変換セルに関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
荷電変換セルはタンデムアクセラレータを使用するイオン注入装置において用いられる。この注入装置は一般に高エネルギ、大電流及び中電流イオン注入の応用に用いられる。
現在の荷電変換セルは中実の壁を有し、そのため加熱、冷却に時間がかかっている。セルの一側面にチューブを溶接し、その内部にヒートカートリッジを挿入し、このヒートカートリッジによりセルの加熱が行われている。したがって熱はチューブから壁を通ってセルの他の部分に伝達する。そのため壁は伝達を良くするため厚くなり、大きな熱量が無駄になっている。冷却はセル体に溶接されたチューブに空気を吹き込むことにより行われる。しかし、チューブの表面積が小さく、またセルの熱量が大きいため、冷却時間が非常に長くなる。セルは４００℃まで加熱するのに約４５分かかるが、１００℃まで冷却するには約１時間ほど要する。
タンデムアクセラレータは荷電変換器を採用して、アクセラレータに入射する負イオンビームを生成する。従来より、この荷電変換プロセスに関してガスや金属蒸気或いは金属箔ターゲット等の種々のタイプのものについて研究がなされてきた。一般にターゲットとして用いられる金属蒸気にはＭｇ、Ｌｉ、Ｋ及びＮａがある。一般には金属蒸気セルは例えば米国特許第４，７１２，０１２（Naylor）に示されるように、ターゲットチャンバ、ビーム開口、リザーバ及び温度コントロールシステムを有する。セルの熱安定性と温度均一化が非常に重要であり、熱安定性は負ビーム出力の安定性を決定している。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
本発明の荷電変換セルは中空の壁に基づいている。中空壁はその内部に加熱エレメントを挿入することが可能であり、これは速度の速いまた均一なセルの加熱を実現する。冷却は中空壁内に直接空気を吹き込むことにより達成できる。壁内の大きな表面領域により、より迅速な冷却が可能である。比較的低温の外壁はまた内壁とセル回りの熱感応性の高い真空装置との間の熱シールドとしても働く。
本発明の好適実施形態によれば、高度に均一でかつ安定した温度を有する金属蒸気荷電変換セルを実現できる。
本発明は添付図面による下記詳細な説明により最も良く理解できる。
【０００４】
【発明の実施の形態】
（好適実施例の説明）
本発明の荷電変換セルは、米国特許第４，９８０，５５６号（O'Connor,White）等の従来のものに改良を加えたものである。
図１において、本発明の荷電変換セルはビーム入口開口２とビーム出口開口３を有するハウジング１とターゲットチャンバ４を備えている。
ターゲットチャンバ４はビーム入口開口６とビーム出口開口７を有する外壁５とビーム入口開口９とビーム出口開口１０を有する内壁８とを備えている。稼働に際してはイオンビーム１１はこれらの開口２，６，９，１０，７，３を順に通過するようになっている。
【０００５】
外壁５のビーム入口開口６にはグラファイト環１８が固定されている。波状の加熱エレメント１２は外壁５と内壁８の間に支持されており、セルの底面と上面との間に延出し、セルの周囲全体にわたって設けられている。
加熱エレメント１２は垂直方向に波形に曲がりくねっており、そのため簡単に取外しが可能になっている。加熱エレメント１２は Watlow 同軸抵抗ケーブル（ Watlow coaxial resistance cable ）等で良く、熱を内壁８へと主として熱放射により伝達する。
熱伝達は内壁８に高放射（ high-emissivity ）ペイントをコーティングすることにより増強することが可能である。この高放射面はまた１０００℃位の加熱エレメント１２の稼動温度を減少させる。またこれによって加熱エレメント１２の寿命が長くなる効果がある。外壁５への輻射はシールド１９により最少化することができる。
【０００６】
内壁８は金属気相源物質のためのリザーバとターゲットチャンバを形成する。内壁８はその２つの開口９，１０においてのみ外壁５により支持されており、これにより両者間の熱伝達を最少化している。これは内壁８と外壁５が異なる温度に保たれるためである。この内壁８と外壁５の壁厚により低熱量、高熱伝導及び可鋳性が得られる。
各開口６，７，９，１０は取外し可能なグラファイト環１８によりイオンビーム１１から保護されている。グラファイト環１８にはねじが切ってあり、挿着、取外しが容易になっている。また別個の機械ねじ等の締結具が不要であり、これにより機械ネジがイオンビームの直接の衝突により歪められ、取外し出来なくなる等の不具合を防止できる。
【０００７】
ターゲットチャンバ４はフランジ１４に備えられたプレートカバー１３により閉じられている。フランジ１４はＯリング１５上に浮いており、フランジ１４の熱膨張を許容するようになっている。これにより壁／フランジの継目における熱ストレスを低減する。またセルの２重壁構造により、冷却空気を冷却空気導入口１６を介して壁内に吹き込むことが可能になり、均一な冷却を行える。
【０００８】
図３に本発明の荷電変換セル１００とタンデムアクセラレータＢとの関係を示す。
イオンビーム１０１は正イオン源１０２から荷電変換セル１００に入り、荷電変換セル１００から出て分析マグネット装置１０３に入るように構成されている。またターボポンプ１０５により荷電変換チャンバ１０４内の真空が維持される。ターボポンプ１０５は熱感応性が高いが、前記したヒートシールドにより守られている。即ちシールド１９により外壁５への放射が最小化されており、この比較的低温の外壁５によるヒートシールドにより守られている。
【０００９】
米国特許第４，９８０，５５６号との比較で云えば、本願の荷電変換セル１００は米国特許第４，９８０，５５６号の exchange canal 4 (Fig.1) と charge exchange system 40 (Fig.3)に相当する。また本願の正イオン源１０２は米国特許第４，９８０，５５６号の ion source 1 に相当する。
更に米国特許第４，７１２，０１２号と比較すれば、本願の荷電変換セル１００は米国特許第４，７１２，０１２号の lithium canal 15 に相当する。また本願の正イオン源１０２は米国特許第４，７１２，０１２の positive ion source 10 に相当する。この米国特許の従来の非近接連結構造（non-closely-coupled）において、このpositive ion source 10 は permannent magnet assembly 13により lithium canal 15 から離間している。本願の分析マグネット装置１０３は米国特許第４，７１２，０１２号の permanent magnet assembly 16 に相当している。
【００１０】
この閉ループ温度コントロールシステムは、Ｋタイプ熱電対１７とコントローラ（図示せず）と２０００ワットの前記加熱エレメント１２とを備えている。このコントローラは比例−積分−微分（ＰＩＤ）アルゴリズムを用いている。加熱中及び温度維持中のパルス幅が加熱エレメント１２の寿命を決定する重要な要因である。現在の条件で０．１秒のパルス幅とした場合、加熱エレメント１２の寿命は連続使用で約６ケ月である。
【００１１】
ＰＤＩ法はオン／オフタイプであり、加熱エレメント１２は完全にオンか完全にオフとなる。セルに供給される熱量は、加熱エレメント１２のオン／オフタイムの時間を変化させることにより制御されている。加熱エレメント１２がオンの時間はパルス幅で表わされ、このパルス幅は前記電子コントローラにより決定される。このコントローラは次の（１）〜（４）によりパルス幅を決定する。（１）この荷電変換セルの温度の検出（熱電対１７による）、（２）荷電変換セルの所望温度（設定値）と検出温度との比較、（３）設定値を最も良く実現するために必要なパルス幅の計算、（４）加熱エレメント１２にパルス幅を供給する。コントローラはこのアルゴリズムを継続的に繰り返して所定の荷電変換セル温度を維持する。パルス幅は次の２つの理由により小さい方が良い。第１に、より小さなパルス幅により、オーバーシュートとアンダーシュートが少なくなりセルの良好な温度コントロールが得られるからである。第２に、より小さなパルス幅により加熱エレメント１２自体の過熱を防止でき、高寿命となるからである。
【００１２】
この荷電変換セルは図４に示すように約６分で４００℃の温度に達する。図４において実線は本発明の荷電変換セルの温度を示し、破線は従来の荷電変換セルの温度を示している。この６分は従来のものの約４５分の加熱時間に較べて際立っていると云える。この加熱時間の低減は加熱パワーを２倍にしたことと、熱量を最小化したことによる。図６は温度一時間（分）のグラフであり、実線はベースにおける温度を示しており、破線は本発明の荷電変換セルの開口における温度を表している。
図４において開口温度は加熱最初の５分間は実際にベース温度より熱くなる。開口温度は約１５分後には最終的定まる。荷電変換セル温度の設定値に対するオーバーシュートはコントローラにおける適当なチューニングパラメータ（tuning parameters）を選択することにより最小化される。これらのパラメータはまた温度維持モードにおいて荷電変換セル温度の設定値近傍における変動の大きさを決定する。
【００１３】
荷電変換セルにより発生する負ビーム電流のレベルを図５に示す。ここでは、実線が本発明の荷電変換セルの負ビーム電流出力を示しており、破線が従来のものの場合を示している。ビーム電流はセル温度に約７分位遅れる。このタイムラグは荷電変換セル温度とチャンバ内のＭｇや他の物質の実際の温度との間の温度ラグにより生ずる。Ｍｇがペレット形状の場合、ペレット間に著しい熱接触抵抗があり、これがタイムラグを生ずる。サイズの大きなペレットを使用すれば、熱伝達における接触点が少なくなるから、チャンバ全体にわたる熱接触抵抗を低減できる。Ｍｇペレットの蒸気への昇華率は温度と共に増加し、云うまでもなくチャンバ内のイオン変換率は加熱時にはセル温度よりも遅れる。セル内でのイオン変換は、最初のパワーアップ後１５分位で平衡に達する。従来のセルにおいては同様な遅れ（lag）が生ずる。
【００１４】
図７は本発明の荷電変換セルにおいてｔ＝３６秒で加熱中の計算熱応力（ＭＰａ）のプロファイルである。図７に示すようにＮＩＳＡ有限要素分析（ＦＥＡ）によれば、加熱中にセル内には約１１８．６ＭＰａ（１７．２Ｋｐｓｉ）の最大熱応力が予想される。（応力単位ＭＰａはメガ、又はミリオンパスカルの略号である）。この数値はセル材料である１７−４ＰＨステンレスチールの疲労強度６２１ＭＰａ（９０Ｋｐｓｉ）と比較できる。（１７−４ＰＨステンレススチールとは鋼のグレードを意味する。グレードで重要なことは基本組成であり、鋼の特性である。特にこのグレードが選ばれたのは、その高度疲労強度と良好な可鋳性のためである。）
このように、このセルはこれらの操業条件下では理論的に無限の寿命を持つ。熱応力はセル内の熱分布に依存し、該熱分布はそれ自身加熱中及び冷却中に変化する。最大応力は最初のパワーアップ後約３６秒の時点で表れる。この応力は開口の直下の内壁内に位置する。
【００１５】
本発明のセルのＦＥＡによれば、図８に示すようにビームが存在しない時、開口周辺の温度はいくらか低くなると予想される。より低温の外壁は開口位置において、チャンバからのヒートシンクのように機能する。開口の低温は図６により実証されている。定常状態でのベースと開口の間の温度差は、ビーム非存在下で約２６℃である。チャンバの床と開口の間の中間に比較的高温の部分がある。従来のものにおいても同様な高温部分が存在する。本発明の実施形態において、床と天井はチャンバの最も低温な部分であるが、これらのエリアはＭｇの生成を防ぐに十分な温度を維持する。外壁５の開口とフランジ１４間の距離は、サーマルバリアとして機能し、フランジ１４を低温に保つ。フランジ温度は、約６０℃に維持される。
【００１６】
イオンビームの荷電変換率は、チャンバ内のＭｇ蒸気の密度に支配される。そのため図４と図５に示すようにビーム安定性はセル温度の安定性と大きな相関性を有する。最大のビーム安定性に達するために、セル温度は最大ビーム出力に調整するのが良い。そして少しでも温度変動があるとＭｇ蒸気密度が乱される。荷電ターゲットは可能な限り低温で操作し、セル温度を負イオンビーム出力のコントロールに用いることが望ましい。
【００１７】
約７５８ＫＰａ（１１０ｐｓｉ）の冷却エア供給圧力により、セルは２０℃／分の速度で４００℃から冷却される。そしてセルの４００℃から１００℃までの冷却に要する時間は図４に示すように約１７分である。この冷却速度は従来のセルにおける４００℃において９℃／分に比較して際立っていると云える。また４３１℃から１００℃に冷却する時間は約７０分である。ＦＥ分析によれば冷却中の最大熱応力は約１１７ＭＰａ（１７ｋｐｓｉ）と予想される。
【００１８】
上記では図面を参照して本発明の原理を説明し、また具体的な事例を取り上げたが、これらは一般的に説明のために用いられたものであって特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の荷電変換セルの一実施形態を示す一部破断斜視図。
【図２】図１のＡ部分の詳細図。
【図３】本発明の荷電変換セルの一実施形態を有するタンデムアクセラレータの低エネルギ側端部を示す一部破断斜視図。
【図４】従来技術と本発明のセルの温度−時間のグラフ。
【図５】従来技術と本発明のセルのビーム電流−時間のグラフ。
【図６】本発明のセルの開口とベースにおける温度を比較して示す温度−時間のグラフ。
【図７】本発明の荷電変換セルのｔ＝３６秒で加熱中の計算熱応力（ＭＰａ）プロファイルを示す説明図。
【図８】本発明の荷電変換セルの定常状態（゜Ｃ）での計算熱応力（ＭＰａ）プロファイルを示す説明図。
【符号の説明】
１：ハウジング、２：ビーム入口開口、３：ビーム出口開口、４：ターゲットチャンバ、５：外壁、６：ビーム入口開口、７：ビーム出口開口、８：内壁、９：ビーム入口開口、１０：ビーム出口開口、１１：イオンビーム、１２：加熱エレメント、１３：プレートカバー、１４：フランジ、１５：Ｏリング、１６：冷却室気導入口、１７：熱電対、１８：グラファイト環、１９：シールド、１００：荷電変換セル、１０１：イオンビーム、１０２：正イオン源、１０３：分析マグネット装置、１０４：荷電変換チャンバ、１０５：ターボポンプ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a charge conversion cell used in an ion implantation apparatus employing a tandem accelerator.
[0002]
[Problems to be solved by the invention]
The charge conversion cell is used in an ion implantation apparatus using a tandem accelerator. This implanter is generally used for high energy, high current and medium current ion implantation applications.
The current charge conversion cell has a solid wall, so it takes time for heating and cooling. A tube is welded to one side surface of the cell, a heat cartridge is inserted into the inside, and the cell is heated by this heat cartridge. Thus heat is transferred from the tube through the wall to the rest of the cell. As a result, the walls are thicker for better transmission and a large amount of heat is wasted. Cooling is performed by blowing air into a tube welded to the cell body. However, since the surface area of the tube is small and the heat quantity of the cell is large, the cooling time becomes very long. The cell takes about 45 minutes to heat to 400 ° C, but it takes about 1 hour to cool to 100 ° C.
A tandem accelerator employs a charge converter to generate a negative ion beam incident on the accelerator. Conventionally, various types of materials such as gas, metal vapor, or metal foil target have been studied for this charge conversion process . Metal vapors generally used as targets include Mg, Li, K and Na. Generally, a metal vapor cell has a target chamber, beam aperture, reservoir, and temperature control system, as shown, for example, in US Pat. No. 4,712,012 (Naylor). The thermal stability and temperature uniformity of the cell are very important, and the thermal stability determines the stability of the negative beam output.
[0003]
[Means for Solving the Problems]
The charge conversion cell of the present invention is based on a hollow wall. The hollow wall can have a heating element inserted in it, which achieves fast and uniform cell heating. Cooling can be achieved by blowing air directly into the hollow wall. Faster cooling is possible due to the large surface area in the wall. The relatively cool outer wall also serves as a heat shield between the inner wall and the highly heat sensitive vacuum device around the cell.
According to a preferred embodiment of the present invention, a metal vapor charge conversion cell having a highly uniform and stable temperature can be realized.
The invention can be best understood from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings.
[0004]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Description of preferred embodiment)
The charge conversion cell of the present invention is an improvement over conventional ones such as US Pat. No. 4,980,556 (O'Connor, White).
In FIG. 1, the charge conversion cell of the present invention includes a housing 1 having a beam entrance opening 2 and a beam exit opening 3 and a target chamber 4.
The target chamber 4 includes an outer wall 5 having a beam inlet opening 6 and a beam outlet opening 7, and an inner wall 8 having a beam inlet opening 9 and a beam outlet opening 10. In operation, the ion beam 11 passes through these openings 2, 6, 9, 10, 7, 3 in order.
[0005]
A graphite ring 18 is fixed to the beam entrance opening 6 of the outer wall 5. The corrugated heating element 12 is supported between the outer wall 5 and the inner wall 8, extends between the bottom surface and the top surface of the cell, and is provided over the entire periphery of the cell.
The heating element 12 has a corrugated shape in the vertical direction, so that it can be easily removed. The heating element 12 may be a Watlow coaxial resistance cable or the like, and transfers heat to the inner wall 8 mainly by thermal radiation.
Heat transfer can be enhanced by coating the inner wall 8 with high-emissivity paint. This high radiation surface also reduces the operating temperature of the heating element 12 on the order of 1000 ° C. This also has the effect of extending the life of the heating element 12. Radiation to the outer wall 5 can be minimized by the shield 19.
[0006]
The inner wall 8 forms a reservoir and target chamber for the metal vapor source material. The inner wall 8 is supported by the outer wall 5 only at its two openings 9 and 10, thereby minimizing heat transfer between them. This is because the inner wall 8 and the outer wall 5 are kept at different temperatures. Due to the wall thickness of the inner wall 8 and the outer wall 5, low heat quantity, high heat conduction and castability are obtained.
Each opening 6, 7, 9, 10 is protected from the ion beam 11 by a removable graphite ring 18. The graphite ring 18 is threaded to facilitate insertion and removal. Further, there is no need for a separate fastener such as a mechanical screw, which can prevent a problem such that the mechanical screw is distorted by the direct collision of the ion beam and cannot be removed.
[0007]
The target chamber 4 is closed by a plate cover 13 provided on the flange 14. The flange 14 floats on the O-ring 15 and allows thermal expansion of the flange 14. This reduces thermal stress at the wall / flange joint. In addition, the double wall structure of the cell makes it possible to blow cooling air into the wall through the cooling air inlet 16 and perform uniform cooling.
[0008]
FIG. 3 shows the relationship between the charge conversion cell 100 and the tandem accelerator B of the present invention.
The ion beam 101 enters the charge conversion cell 100 from the positive ion source 102 and exits from the charge conversion cell 100 to enter the analysis magnet device 103. Further, the vacuum in the charge conversion chamber 104 is maintained by the turbo pump 105. The turbo pump 105 has high heat sensitivity, but is protected by the heat shield described above. That is, the radiation to the outer wall 5 is minimized by the shield 19 and is protected by the heat shield by the relatively low temperature outer wall 5.
[0009]
Compared with US Pat. No. 4,980,556, the charge conversion cell 100 of the present application is based on the exchange canal 4 (FIG. 1) and charge exchange system 40 (FIG. 3) of US Pat. No. 4,980,556. ). The positive ion source 102 of the present application corresponds to the ion source 1 of US Pat. No. 4,980,556.
Further, as compared with US Pat. No. 4,712,012, the charge conversion cell 100 of the present application corresponds to lithium canal 15 of US Pat. No. 4,712,012. The positive ion source 102 of the present application corresponds to the positive ion source 10 of US Pat. No. 4,712,012. In this conventional non-closely-coupled US patent, the positive ion source 10 is separated from the lithium canal 15 by a permannent magnet assembly 13. The analysis magnet device 103 of the present application corresponds to the permanent magnet assembly 16 of US Pat. No. 4,712,012.
[0010]
The closed loop temperature control system includes a K-type thermocouple 17, a controller (not shown) and the 2000 watt heating element 12. This controller uses a proportional-integral-derivative (PID) algorithm. The pulse width during heating and temperature maintenance is an important factor that determines the life of the heating element 12. When the pulse width is 0.1 seconds under the current conditions, the life of the heating element 12 is about 6 months in continuous use.
[0011]
The PDI method is an on / off type, and the heating element 12 is completely on or completely off. The amount of heat supplied to the cell is controlled by changing the on / off time of the heating element 12. The time when the heating element 12 is on is represented by a pulse width, which is determined by the electronic controller. This controller determines the pulse width according to the following (1) to (4). (1) Detection of the temperature of the charge conversion cell (by the thermocouple 17), (2) Comparison between the desired temperature (set value) of the charge conversion cell and the detected temperature, (3) In order to best realize the set value Calculation of the required pulse width, (4) Supply the pulse width to the heating element 12. The controller continuously repeats this algorithm to maintain a predetermined charge conversion cell temperature. The pulse width should be smaller for the following two reasons. First, a smaller pulse width reduces overshoot and undershoot and provides good cell temperature control. Secondly, the heating element 12 itself can be prevented from being overheated with a smaller pulse width, resulting in a longer life.
[0012]
As shown in FIG. 4, the charge conversion cell reaches a temperature of 400 ° C. in about 6 minutes. In FIG. 4, the solid line indicates the temperature of the charge conversion cell of the present invention, and the broken line indicates the temperature of the conventional charge conversion cell. These 6 minutes stand out compared to the conventional heating time of about 45 minutes. This reduction in heating time is due to the fact that the heating power is doubled and the amount of heat is minimized. FIG. 6 is a graph of temperature for one hour (minutes), the solid line indicates the temperature at the base, and the broken line indicates the temperature at the opening of the charge conversion cell of the present invention.
In FIG. 4, the opening temperature is actually higher than the base temperature for the first 5 minutes of heating. The opening temperature is finally determined after about 15 minutes. Overshoot for the charge conversion cell temperature set point is minimized by selecting appropriate tuning parameters in the controller. These parameters also determine the magnitude of fluctuations near the set value of the charge conversion cell temperature in the temperature maintenance mode.
[0013]
The level of the negative beam current generated by the charge conversion cell is shown in FIG. Here, the solid line indicates the negative beam current output of the charge conversion cell of the present invention, and the broken line indicates the conventional case. The beam current is delayed about 7 minutes from the cell temperature. This time lag is caused by a temperature lag between the charge conversion cell temperature and the actual temperature of Mg and other materials in the chamber. When Mg is in pellet form, there is significant thermal contact resistance between the pellets, which causes a time lag. If large size pellets are used, the number of contact points in heat transfer is reduced, so the thermal contact resistance throughout the chamber can be reduced. The sublimation rate of Mg pellets to vapor increases with temperature. Needless to say, the ion conversion rate in the chamber is delayed from the cell temperature during heating. Ion conversion in the cell reaches equilibrium in the 15th quantile after initial power up. Similar delays occur in conventional cells.
[0014]
FIG. 7 is a profile of calculated thermal stress (MPa) during heating at t = 36 seconds in the charge conversion cell of the present invention. As shown in FIG. 7, according to NISA finite element analysis (FEA), a maximum thermal stress of approximately 118.6 MPa (17.2 Kpsi) is expected in the cell during heating. (The stress unit MPa is an abbreviation for mega or million pascal). This numerical value can be compared with the fatigue strength of 621 MPa (90 Kpsi) of the 17-4PH stainless steel that is the cell material. (17-4PH stainless steel means the grade of steel. What is important in the grade is the basic composition and the characteristics of the steel. In particular, this grade was chosen because of its high fatigue strength and good potential. Because of castability.)
Thus, this cell has a theoretically unlimited lifetime under these operating conditions. The thermal stress depends on the heat distribution within the cell, which itself changes during heating and cooling. Maximum stress appears at about 36 seconds after the initial power up. This stress is located in the inner wall just below the opening.
[0015]
According to the FEA of the cell of the present invention, the temperature around the aperture is expected to be somewhat lower when no beam is present as shown in FIG. The cooler outer wall functions like a heat sink from the chamber in the open position. The low temperature of the opening is demonstrated by FIG. The temperature difference between the base and the aperture at steady state is about 26 ° C. in the absence of the beam. There is a relatively hot section in the middle between the chamber floor and the opening. A similar high temperature portion exists in the conventional one. In an embodiment of the invention, the floor and ceiling are the coldest parts of the chamber, but these areas maintain a temperature sufficient to prevent the formation of Mg. The distance between the opening of the outer wall 5 and the flange 14 functions as a thermal barrier and keeps the flange 14 at a low temperature. The flange temperature is maintained at about 60 ° C.
[0016]
The charge conversion rate of the ion beam is governed by the density of Mg vapor in the chamber. Therefore, as shown in FIGS. 4 and 5, the beam stability has a large correlation with the stability of the cell temperature. To reach maximum beam stability, the cell temperature should be adjusted to the maximum beam power. And even if there is any temperature fluctuation, the Mg vapor density is disturbed. It is desirable to operate the charged target at the lowest possible temperature and use the cell temperature to control the negative ion beam output.
[0017]
With a cooling air supply pressure of about 758 KPa (110 psi), the cell is cooled from 400 ° C. at a rate of 20 ° C./min. The time required for cooling the cell from 400 ° C. to 100 ° C. is about 17 minutes as shown in FIG. This cooling rate is conspicuous compared to 9 ° C./min at 400 ° C. in a conventional cell. The time for cooling from 431 ° C. to 100 ° C. is about 70 minutes. According to FE analysis, the maximum thermal stress during cooling is expected to be about 117 MPa (17 kpsi).
[0018]
The foregoing has described the principles of the invention with reference to the drawings and has illustrated specific examples, which are generally used for illustration purposes only and are not intended to be limited to the claimed subject matter. It is not intended to limit the scope of the invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partially broken perspective view showing an embodiment of a charge conversion cell of the present invention.
FIG. 2 is a detailed view of part A in FIG.
FIG. 3 is a partially broken perspective view showing a low energy side end portion of a tandem accelerator having an embodiment of the charge conversion cell of the present invention.
FIG. 4 is a graph of temperature and time of the cell of the prior art and the present invention.
FIG. 5 is a graph of beam current versus time for cells of the prior art and the present invention.
FIG. 6 is a temperature-time graph showing the temperature at the opening and base of the cell of the present invention in comparison.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a calculated thermal stress (MPa) profile during heating at t = 36 seconds of the charge conversion cell of the present invention.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a calculated thermal stress (MPa) profile in a steady state (° C.) of the charge conversion cell of the present invention.
[Explanation of symbols]
1: housing, 2: beam inlet opening, 3: beam outlet opening, 4: target chamber, 5: outer wall, 6: beam inlet opening, 7: beam outlet opening, 8: inner wall, 9: beam inlet opening, 10: beam Exit opening, 11: ion beam, 12: heating element, 13: plate cover, 14: flange, 15: O-ring, 16: cooling chamber air inlet, 17: thermocouple, 18: graphite ring, 19: shield, 100 : Charge conversion cell, 101: Ion beam, 102: Positive ion source, 103: Analysis magnet device, 104: Charge conversion chamber, 105: Turbo pump.

Claims

A positive ion source;
A housing having a beam inlet opening and a beam outlet opening;
A cylindrical outer wall, a cylindrical inner wall, and a tubular space formed by these,
The outer wall and the inner wall have a beam entrance opening and a beam exit opening, respectively;
A target chamber mounted on the housing and forming an ion beam passage by aligning openings provided in the outer wall and the inner wall with openings provided in the housing;
A reservoir in the target chamber of a vaporizable metal of the type capable of converting positive ions from a positive ion source to negative ions by charge conversion;
A temperature control system having a heating element mounted in the tubular space and provided to vaporize the metal;
Means for directing a positive ion beam from the positive ion source to sequentially pass through the aperture;
The target chamber has an inlet provided to introduce cooling air into the tubular space;
An apparatus for generating negative ions incident on a tandem accelerator used for ion implantation or the like.

The heating element is corrugated and occupies most of the tubular space;
The apparatus of claim 1.

The outer wall functions as a temperature shield between the hot inner wall and a heat sensitive vacuum device outside the target chamber;
The apparatus of claim 1.

At least one of said openings borders a removable ring of graphite;
The apparatus of claim 1.

The at least one opening is threaded and no external fastening is required,
The apparatus according to claim 4.

Having a shield provided to reduce radiation from the heating element to the outer wall;
The apparatus of claim 1.

The inner wall is covered with high radiation paint,
The apparatus of claim 1.

The inner wall is supported by the outer wall only at the opening, thereby reducing heat transfer between them,
The apparatus of claim 1.

The temperature control system has a pulse width on the order of 0.1 seconds during heating and temperature maintenance,
The apparatus of claim 1.