JP4249826B2 - Multipolar permanent magnet device for ECR - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は多極永久磁石装置に関し、特にECR(電子サイクロトロン共鳴)イオン源装置に適した多極永久磁石装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
この種の多極永久磁石装置は、通常、円筒状の枠体に周方向に間隔をおいて永久磁石を組み付け、更にヨークを組合せることにより提供されている。この種の多極永久磁石装置では、永久磁石ブロックやヨークの配置を、多極永久磁石のどの断面でも同じでなく、場所に応じて変化させたい場合があり、多極永久磁石の外径も必ずしも一定にならない。従来の方法では、外径が変化するような場合、機械的強度を保ちながら、同時に小型の多極永久磁石を製作することは難しかった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
従来の多極永久磁石は、一体で削り出した外枠をたがとして、その内側に永久磁石ブロックを、石橋のアーチ構造のように互いのブロックが支え合うように配置し、接着剤で固定する方式である。このような多極永久磁石の問題点は、外枠を分割して構成すると機械的強度が低下することである。そして、外枠を分割により構成すると、時間の経過や使用条件によって接着力が劣化したとき、永久磁石の磁力が強力であるほどこわれ易く、断片が飛び散る場合もあり得る。
【0004】
従来の方式では一体のたがを作れない場合、機械的強度が不十分になる。あるいは、機械的強度を維持するために、しっかりした接続用のフランジのようなものを取り付ける方法などがあるが、寸法が大きくなる。
【0005】
そこで、本発明の課題は、機械的強度を保ちながら、半径方向の厚みが薄く小型にすることのできる多極永久磁石装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、プラズマチャンバの外側に配置した筒状の基体枠の外周面に該基体枠の中心軸方向に配置されるように複数の棒状永久磁石による第1の多極永久磁石組体を配設し、前記第1の多極永久磁石組体における前記複数の棒状永久磁石の外側にはこれとほぼ同じ長さの筒状の外枠体となるヨーク体を被せ、前記基体枠の両端に端部枠を設け、該端部枠の外側には複数の棒状永久磁石による第2の多極永久磁石組体を配設し、前記第1の多極永久磁石組体を構成する棒状永久磁石により、前記基体枠の中心軸と直交する断面内において主磁気閉回路を形成し、前記第2の多極永久磁石組体を構成する棒状永久磁石により、前記端部枠の中心軸と直交する断面内において前記第1の多極永久磁石組体と同極の端部磁気閉回路を形成し、前記第2の多極永久磁石組体のそれぞれの外側部分に近接してミラー磁石を配置すると共に、両側の前記ミラー磁石の間に前記ヨーク体を介在させ、マイクロ波導入用の導波管との接続のために、前記プラズマチャンバ、前記基体枠及び前記ヨーク体の三重構成体に少なくとも1つの接続部を設けて導波管を接続し、該接続部は前記第1の多極永久磁石組体における棒状永久磁石間に位置させると共に、前記プラズマチャンバ、前記基体枠及び前記ヨーク体にはそれぞれそれらの中心軸方向に平行な長穴を形成し、且つ前記プラズマチャンバの長穴部分の前記接続部にはRF窓を配設して前記プラズマチャンバの半径方向からマイクロ波を導入するようにし、前記第1の多極永久磁石組体における前記複数の棒状永久磁石は、磁極数N(Nは偶数)に応じて前記基体枠の周方向に関してN組の磁石組体に分割構成して、それぞれの組に属する棒状永久磁石は前記基体枠の中心軸と直交する面内の磁極の向きをそれぞれの組において同じにし、しかも前記基体枠の周方向に関して隣り合う組は互いに反対の磁極になるように構成し、前記第2の多極永久磁石組体における前記複数の棒状永久磁石は、前記第1の多極永久磁石組体において分割構成された前記N組の磁石組体と同じ磁極の組み合わせになるように、前記基体枠の中心軸と直交する面内の磁極の向きを同じにし、しかも前記端部枠の周方向に関して間隔をおいて隣り合う磁極は互いに反対の磁極になるように配置したN組の棒状永久磁石と、これらN組の棒状永久磁石の間にあって磁極が前記端部枠の周方向を向きしかも該周方向に関して隣り合う磁極が互いに反対向きになるように配置したN組の棒状永久磁石とから成ることを特徴とするECR用多極永久磁石装置が提供される。
【0008】
前記基体枠の周方向に関して前記第1の多極永久磁石組体における前記複数の棒状永久磁石の隣り合う組と組との間に空間部が設けられ、該空間部に対応する前記基体枠及び前記ヨーク体の部分にも空間部が形成される。
【0009】
前記第1の多極永久磁石組体は、磁極数Nに応じて該基体枠の周方向に関してN組に分割構成している前記棒状永久磁石を、各組において複数の磁石群から構成し、各組では磁極を同方向に揃えて構成する。
【0010】
前記基体枠及び前記端部枠の外周面はそれぞれ、前記第1及び第2の多極永久磁石組体における複数の棒状永久磁石を固着する多角形状の平坦面に形成すると共に、前記基体枠及び前記端部枠の内周面は円筒化される。
【0011】
前記第1及び第2の多極永久磁石組体における前記棒状永久磁石は略四角形の断面形状を有し、同じ組に属する前記棒状永久磁石を隣接させて前記基体枠及び前記端部枠の平坦面に固着する。
【0014】
前記基体枠の両端に設けた前記端部枠は前記基体枠の延長体となるように構成し、該基体枠と該延長体とを一体成形することが好ましい。
【0015】
前記第2の多極永久磁石組体を構成する棒状永久磁石は略四角形の断面形状を有し、前記端部枠における外周面は、前記棒状永久磁石を固着する面が平坦面にされており、前記第2の多極永久磁石組体の外側にはこれとほぼ同じ長さの筒状の枠体を被せて構成される。
【0016】
前記枠体は、前記基体枠の外側に設けられたフランジ部材により前記基体枠の中心軸と一致されることが好ましい。
【0017】
前記枠体は、短い複数の略円筒状に分割されていても良い。
【0018】
前記ヨーク体の外径は、前記枠体の外径よりも大きくすることが好ましい。
【0020】
【発明の実施の形態】
図1、図2を参照して、本発明による多極永久磁石装置をECRイオン源装置に適用した場合に実施の形態について説明する。このイオン源装置は、筒状のプラズマチャンバ10の外側に、ミラー磁場を作るために間隔をおいて配置された一対のミラー電磁石11、12と、プラズマチャンバ10の外側であってミラー電磁石11、12の間に設けられた、本発明による多極永久磁石装置20とを備えている。ミラー電磁石11、12はそれぞれ、ソレノイドコイルで実現される。なお、ミラー電磁石11、12はそれぞれ、複数の棒状永久磁石により構成されても良い。
【0021】
プラズマチャンバ10の側面には、導波路部を持つ接続部21aが設けられ、導波管13が接続されてプラズマチャンバ10内にその半径方向よりマイクロ波が導入される。導波管とプラズマチャンバとが接続される部分にはRF窓22aがはさみ込まれる。RF窓22aはマイクロ波を大気中からプラズマチャンバ10内に透過させるが、プラズマチャンバ10の真空は保持する。このプラズマチャンバ10側面のRF窓22aの位置は、磁場構造上、プラズマの照射を受けにくく、従来のイオン注入機用のECR型イオン源のようにプラズマチャンバ軸方向から導入する場合に比べて、汚れにくいという利点がある。RF窓22aは汚れると導電性になるので、マイクロ波が遮断され運転が続けられなくなる。
【0022】
このようなECRイオン源装置においては、ミラー電磁石11、12と多極永久磁石装置20によりプラズマチャンバ10内に高磁場を形成すると共に、この磁場に適量のイオン生成用のガスと、2.45(GHz)のマイクロ波を導入することにより、ECR加熱により電子が加熱され、プラズマが発生し、プラズマチャンバ10の軸方向にイオンビームを生成することができる。2.45(GHz)のマイクロ波に対し875ガウスの磁場があると、電子のECR加熱が起こる。
【0023】
ミラー電磁石12の端部には、イオン引出し用のケーシング40−1が設けられ、ケーシング40−1内には引出電極40−2とアノード電極40−3とが設けられている。
【0024】
上述した磁場のもう1つのはたらきは、プラズマを効果的に閉じ込めることで、その結果イオン化効率が高まり、またRF窓22aの汚染を減らすことにもなる。ミラー電磁石11と多極永久磁石装置20の方向へ広がろうとするプラズマは損失となり、ビームとしては引き出されず、不経済なので、強く閉じ込めておく。具体的にはミラー電磁石11と多極永久磁石装置20の発生する磁場の極大値はプラズマチャンバ10内で、少なくとも875ガウス以上であることが必要であり、2キロガウス以上であれば理想的となる。2キロガウスは従来のイオン注入装置用のECR型イオン源装置に比べておよそ2倍の値であり、RFの導入を軸方向から行う場合、マイクロ波の伝播のためにプラズマチャンバ径が大きくなってしまうので、2キロガウスの強い磁場を発生させるのが実用上困難であった。一方、ミラー電磁石12の磁場はミラー電磁石11、多極永久磁石装置20よりも弱くして、その方向にプラズマの逃げ道をつくっておく。これによって、プラズマ中のイオンはミラー電磁石12の方向からプラズマチャンバ10外へ取り出される。 図3、図4をも参照して、本発明による多極永久磁石装置20について説明する。多極永久磁石装置20は、4極永久磁石23a〜23d(第1の多極永久磁石組体)とその外側に設けられた円筒状のヨーク24とを含む。特に、この例では、4極永久磁石23a〜23dのそれぞれを、台形の断面形状を有する2本の棒状磁石を、幅広の方の底面を外側に向けて組み合わせて構成し、更に4極永久磁石23a〜23dを基体枠26にリング状に組み合わせている。基体枠26は、非磁性材料、例えばアルミで作られる。なお、4極永久磁石23a〜23dの磁極の向きは、プラズマチャンバ10の中心軸方向に関して対向し合う磁極は同じ極とし、周方向に関して隣り合う磁極は互いに反対の極になるように配置される。
【0025】
多極永久磁石装置20は、上記の4極永久磁石23a〜23dに加えて更に、基体枠26の両端からそれぞれプラズマチャンバ10の中心軸方向に延びる複数の棒状磁石をリング状に組み合わせて成る2組の多極永久磁石25−1〜25−2(第2の多極永久磁石組体)を有する。多極永久磁石25−1について言えば、ここでは16本の棒状磁石を2本1組にして組み合わせて、8つの磁極25−1a〜25−1hを構成している。8つの磁極25−1a〜25−1hのうち、4極永久磁石23a〜23dに対応する磁極25−1a〜25−1dはそれぞれ、磁極の向きが4極永久磁石23a〜23dの磁極の向きと同じになるように配置される。また、磁極25−1a〜25−1dの間に配置されている磁極25−1f〜25−1hはそれぞれ、磁極が周方向であってしかも反対向きになるように配置される。同様に、多極永久磁石25−2においても、8つの磁極が構成されている。多極永久磁石25−1〜25−2の外側にはそれぞれ、非磁性材料による円筒状の枠体27−1、27−2が設けられる。
【0026】
なお、2組の多極永久磁石25−1、25−2は、ミラー電磁石11、12とプラズマチャンバ10との間に介在しており、ここにヨークがあるとミラー電磁石11、12によりプラズマチャンバ10内に発生される磁場が小さくなるので、4極永久磁石23a〜23dに組み合わされるようなヨーク24は設けない。いずれにしても、多極永久磁石装置20に用いられる永久磁石は、磁化方向が磁極面に垂直で、すべて同じ強さの残留磁束密度を持つものを使用する。
【0027】
なお、多極永久磁石25−1は、不可欠ではなく削除されても良い。この場合、多極永久磁石25−1を構成するために延長されている基体枠26の端部(端部枠)は無くても良い。また、この両端部に対応する部分は、基体枠26とは別体で構成されても良い。更に、基体枠26の内側は円筒形状であるが、外側面については、4極永久磁石23a〜23d及び多極永久磁石25−1、25−2を接着し易くするために接着箇所を平坦面にしている。このため、基体枠26の外側は多角形状である。
【0028】
なお、ヨーク24の側面には、周方向に間隔をおいて4つの長穴24a〜24dが設けられている。これは、図2で説明した導波管の接続を4箇所の任意の箇所で行えるようにするためである。基体枠26には長穴24aに対応する箇所にのみ長穴26aが設けられているが、導波管の接続箇所に応じて長穴24b〜24dに対応する箇所に長穴26aと同様の長穴が設けられており、このため、基体枠26における長穴24aに対応する箇所は勿論、長穴24b〜24dに対応する箇所も空間部として4極永久磁石23a〜23dの設置領域から外されている。そして、基体枠26において長穴が設けられる箇所は、多角形状の角部に対応する箇所であるが、長穴が設けられる場合には角部は研削される。
【0029】
勿論、基体枠26におけるヨーク24の4つの長穴24a〜24dに対応する箇所にあらかじめ長穴を設けておいても良い。この場合には、プラズマチャンバ10にも、基体枠26の長穴に対応する箇所に長穴が設けられるが、プラズマチャンバ10内の真空度を維持するために導波管13が接続されない長穴は蓋板のようなもので塞ぐ必要がある。
【0030】
図1に戻って、プラズマチャンバ10の左端には、イオン生成用のガスの導入管29が接続されている。プラズマチャンバ10の右端は開放されてイオンビームの引き出し口とされ、プラズマチャンバ10の開口にはイオンビームを照射部に導くためのガイド管(図示せず)が接続される。
【0031】
このようなECR用イオン源装置においては、一対のミラー電磁石11、12と多極永久磁石装置20によりプラズマチャンバ10内にミニマムB構造の高磁場を形成すると共に、この磁場にイオン生成用のガスと、2.45(GHz)のマイクロ波を導入することにより、プラズマチャンバ10の軸方向にイオンビームを生成することができる。
【0032】
このような多極永久磁石装置20は以下のようにして作られる。はじめに、非磁性体材料による円筒状の基体枠26が用意され、この基体枠26の外側に4極永久磁石23a〜23dが接着されると共に、これらの両端側に多極永久磁石25−1、25−2が接着される。次に、これらの外側にヨーク24が組み合わされ、更にヨーク24の両端側における多極永久磁石25−1、25−2の外側には枠体27−1、27−2が設けられる。
【0033】
ここで、基体枠26の両端部に近い位置、すなわち、4極永久磁石23a〜23dの設置領域と多極永久磁石25−1、25−2の設置領域の境界部分にはそれぞれ、径方向に延びるフランジ部26−1、26−2が形成されている。特に、フランジ部26−1の突出長は、フランジ部26−2のそれよりやや大きくし、フランジ部26−1に対応するヨーク24の端部内周には周方向に切り欠き24−1を設けている。これにより、フランジ部26−1の先端は、ヨーク24を組み付ける時の位置決めの機能を持つ。また、フランジ部26−1、26−2の外側の面には、枠体27−1、27−2の位置決めのための段差26−1a、26−2aが設けられ、フランジ部26−1、26−2の内側の面には、4極永久磁石23a〜23dの加工上の段差26−1b、26−2bが設けられている。
【0034】
基体枠26には、前述したように、接続部21aを設置するために、長穴26aが設けられている。また、基体枠26の内側は円筒形状であるが、外側面については、4極永久磁石23a〜23d及び多極永久磁石25−1、25−2を接着し易くするために接着箇所を平坦にしている。
【0035】
ミラー電磁石11、12は、図示しない支持部材により支持されるようになっており、これらのミラー電磁石11、12の中央の円形空間に多極永久磁石装置20が組み込まれている。次に、基体枠26の内側にこれよりも十分に長い円筒状のプラズマチャンバ10が組み込まれる。
【0036】
上記の組立てに際して必要な条件を以下に列記する。
【0037】
基体枠26は削り出しによる一体のものとする。
【0038】
基体枠26の外周面は多角形の断面形状をもち、平坦化されている。
【0039】
4極永久磁石23a〜23d及び多極永久磁石25−1、25−2の配置が変化するときは、多角形の寸法も変更して良い。
【0040】
ヨーク25の位置決めをするために、基体枠26の外周にフランジ26−1、26−2を作るが、作らない場合もある。フランジ26−1、26−2を作る場合の方法は以下の通りである。
【0041】
1番目の方法は、フランジを基体枠26の削り出しのときに同時に作る。
【0042】
2番目の方法はフランジとなるリング状のものを後から基体枠26にはめ込む。
【0043】
3番目の方法は、段差26−1a、26−1bを持つ3点以上のスペーサを後から取り付けることにより構成する。
【0044】
ヨーク24は円筒状に仕上げる。
【0045】
ヨーク24の内側の面は略円柱状となるが、一部に切り欠き24−1を入れておくことで、ヨーク24の基体枠26に対する軸方向の位置決めを簡単にすることもできる。
【0046】
永久磁石は各面が平坦化されている。
【0047】
ヨーク24の中心軸は、基体枠26のフランジとのはめあいで、基体枠26の軸心と一致させる。
【0048】
フランジを介して基体枠26がヨーク24の軸を決め、永久磁石ブロック23a〜23d、25−1a〜25−1hはヨーク24の軸出しには使わない。
【0049】
以上のような多極永久磁石装置によれば、一対の適当なミラー電磁石11、12との組合せによりプラズマチャンバ10内にミニマムB構造の高磁場が形成される。ミニマムB構造の磁場とは、良く知られているように、プラズマチャンバ10内にECR(Electron Cyclotron Resonance)共鳴が生じ、しかもこのECR共鳴の起こる領域がプラズマチャンバ10内で閉じている閉じ込め磁場構造である。言い換えれば、プラズマチャンバ10の内壁面とECRゾーンが交差しないということであり、このミニマムB構造の磁場は、空間中でECR磁場BECR (2.45MHzの場合、875ガウス)より弱いある1点から出発してどの方向にいってもプラズマチャンバ10の内壁にぶつかる前にBECR を横切らなければならないような磁場である。ここでいうECRゾーンとは、ECR共鳴点が連続して面となったものである。
【0050】
このような閉じ込め磁場においては、従来のマイクロ波型イオン源装置に比べれば、プラズマチャンバ10内で発生しているプラズマの電子がプラズマチャンバ10の半径方向へ散逸することが抑制され、電子の閉じ込め時間が延長されてECR加熱作用により電子の加熱が促進されることにより、特にプラズマチャンバ10内の真空度が高い場合、ガス原子に衝突した時に多価イオンを生成し易くなる。そして、このような多価イオンを含むすべてのイオンがプラズマチャンバ10の半径方向へ漏れることが効率良く抑制されてプラズマチャンバ10の内壁やRF窓への付着が抑制される。これは、RF窓22aへイオンが付着することにより導電性を持ってマイクロ波の透過効率が低下することを抑制できることを意味する。
【0051】
このように、イオンの閉じ込め効率が良くなると、プラズマチャンバ10内に導入するガスの量を減らすことができ、プラズマチャンバ10内の汚染の度合いを少なくすることができる。また、導入ガスが腐食性のガスであってもそのイオンがプラズマチャンバ10の内壁に付着して内壁が腐食されることを抑制できる。これは、イオン源装置としての寿命が長くなることを意味する。
【0052】
加えて、マイクロ波が導入される領域の多極永久磁石を4極永久磁石23a〜23dとすることにより、一対のミラー電磁石11、12とによる磁場との相互作用によってプラズマチャンバ10の中心軸に直角に交差する細長い断面形状のイオンビームを生成することができる。このイオンビームの断面形状は、マイクロ波が導入される領域における多極永久磁石の極数に応じて変化することが知られている。因みに、6極の場合、断面形状は略三角形であり、8極の場合は、略正方形である。なお、プラズマチャンバ10内に構成される磁場強度は、2キロガウス以上の磁場であることが好ましい。
【0053】
次に、図5を参照して、一対のミラー電磁石11、12とヨーク24の作用について説明する。プラズマチャンバ10内に導入されるマイクロ波の周波数が2.45(MHz)の場合、磁場強度が875(ガウス)でECR共鳴がおこることが知られている。ミラー電磁石11、12による磁場の絶対値|B|は、プラズマチャンバ10の中心軸r=0においては図5(b)のようになる。ECR共鳴をおこさせるためには、ミラー電磁石11、12の間に図5(b)に示すように、875(ガウス)において曲線が交差するような下側に凸の谷間を形成する必要がある。
【0054】
ここで、ミラー電磁石11、12の内径に比べてこれらの間の距離が小さすぎると、磁場の絶対値|B|は875(ガウス)において交差するような下側に凸の谷間ができず、ECR共鳴点が消滅してしまう。このために、ミラー電磁石11、12の間に円筒状の鉄製のヨーク24を介在させて、r=0の付近にある磁力線を吸収させて谷間を下側に下げている。
【0055】
なお、ミラー電磁石11、12と組み合わせる多極永久磁石は、ヨーク24の内側になければプラズマチャンバ10内に磁場をつくれないので、棒状磁石を用いて4極永久磁石23a〜23dを構成することでヨーク24とプラズマチャンバ10との間の薄い空間を利用して収容することができるようにしている。
【0056】
次に、図6を参照して、4極永久磁石の磁場によるイオン閉じ込め作用の原理について説明する。図6においては、4極永久磁石間の磁力線を1本ずつ象徴的に示している。また、破線は磁場の絶対値|B|の等磁場強度域を示しており、中心に近くなるほど磁場の強度は円に近くなって等方的になるが、磁極に近付くにつれていびつになり等方的でなくなる。このような磁場内に存在する荷電粒子は、磁力線を中心に螺旋を描くように運動しながら磁極側へ移動しようとする。言い換えれば、荷電粒子はその回転中心が磁場強度の強くなる方へ移動しようとする。このような荷電粒子はまた、磁極に近付いて磁場強度が大きくなるにつれて反対方向へ動くようなはね返り作用を受ける。このはね返りの度合いは、初期の運動方向により決まり、磁場の強度比(図5(b)を引用して言えば、曲線の谷間の最低値とピーク値との比)が大きいほどはね返りやすい。このような原理で、イオンの滞留時間が長くなるイオン閉じ込め作用が生ずる。一方、RF窓22aは、磁力線と平行になるような位置にあり、イオンは磁力線に直角な方向へは移動しにくいので、これがRF窓22aへのイオンの付着が生じにくい一因ともなっている。
【0057】
ところで、マイクロ波の周波数を2.45(GHz)とするのは、この周波数の発生装置が家庭用の電気製品、例えば電子レンジにおいて使用され、最も安価で提供されているからであり、この点を考慮しなくても良いのであれば、別の周波数でも良い。
【0058】
以上、本発明を4極永久磁石の場合について説明したが、磁極数は4極に限らないことは言うまでも無い。また、ECRイオン源装置に適用する場合について説明しているが、本発明によるECR用多極永久磁石装置は、上記の実施の形態に限らず、高い磁場を要求される、特にECR共鳴を利用するような永久磁石装置全般に適用できることは言うまでも無い。
【0059】
【発明の効果】
以上説明した本発明による多極永久磁石装置によれば、以下のような効果が得られる。
【0060】
永久磁石ブロックが石橋のようなアーチ構造でなくても、内側に外れてしまうことがない。
【0061】
永久磁石ブロック同士を必ずしも密着させないので、面の角度などに細かな精度を必要としない。
【0062】
基体枠の外周が平面で、ヨークの内面がカーブになっているので、円周方向にずれにくい永久磁石ブロック同士を必ずしも密着させないので、円周方向に永久磁石ブロックを離して配置できる。
【0063】
永久磁石ブロック間の隙間の部分で基体枠、ヨークにそれぞれ長穴を開ければ、マイクロ波導入用の開口を半径方向に設けることができる。
【0064】
開口を通してプラズマチャンバの半径方向から、RFを導入することができ、たとえ永久磁石ブロックが剥がれても横にずれにくい。
【0065】
ヨークがカバーとなって、永久磁石が剥がれても外側に飛び出すことはない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用したECRイオン源装置の構造を示す縦断面図である。
【図2】図1の線A−A´による断面図である。
【図3】本発明による多極永久磁石装置の好ましい実施の形態を示した図で、図(a)は一部断面側面図、図(b)は図(a)の線B−B´による断面図、図(c)は図(a)の線C−C´による断面図である。
【図4】図3に示されたヨークと基体枠及び枠体の側面図及び断面図である。
【図5】図1に示されたミラー電磁石とヨークの作用について説明するための図であり、図(a)は縦断面図、図(b)は図(a)の距離Zに関しての磁場の絶対値強度|B|を示した特性図である。
【図6】図2に示された4極永久磁石の作用を説明するための図である。
【符号の説明】
10 プラズマチャンバ
11、12 ミラー電磁石
13 導波管
20 多極永久磁石装置
21a 接続部
22a RF窓
23a〜23d 4極永久磁石
24 ヨーク
25−1、25−2 多極永久磁石
26 基体枠
27−1、27−2 枠体
29 ガスの導入管
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a multipole permanent magnet device, and more particularly to a multipole permanent magnet device suitable for an ECR (electron cyclotron resonance) ion source device.
[0002]
[Prior art]
This type of multipolar permanent magnet device is usually provided by assembling a permanent magnet to a cylindrical frame body at intervals in the circumferential direction, and further combining a yoke. In this type of multipolar permanent magnet device, the arrangement of permanent magnet blocks and yokes may not be the same in any cross section of the multipolar permanent magnet, but may be changed depending on the location. It is not always constant. In the conventional method, when the outer diameter changes, it is difficult to manufacture a small multipolar permanent magnet at the same time while maintaining the mechanical strength.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Conventional multipolar permanent magnets have an outer frame that is cut out as a single piece, and permanent magnet blocks are placed inside such that they are supported by each other like an arch structure of a stone bridge, and fixed with an adhesive. It is a method to do. The problem with such a multipolar permanent magnet is that the mechanical strength decreases when the outer frame is divided. When the outer frame is configured by division, when the adhesive force deteriorates with the passage of time or usage conditions, the stronger the magnetic force of the permanent magnet, the easier it is to break and the fragments may scatter.
[0004]
If the conventional method cannot make a single piece, the mechanical strength is insufficient. Alternatively, in order to maintain the mechanical strength, there is a method of attaching something like a flange for a firm connection, but the size increases.
[0005]
Therefore, an object of the present invention is to provide a multipolar permanent magnet device that can be reduced in thickness in the radial direction while maintaining mechanical strength.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, Placed outside the plasma chamber A first multi-pole permanent magnet assembly comprising a plurality of rod-shaped permanent magnets is disposed on the outer peripheral surface of the cylindrical base frame so as to be arranged in the direction of the central axis of the base frame; Covering the outside of the plurality of rod-shaped permanent magnets in the first multipole permanent magnet assembly is a yoke body that is a cylindrical outer frame body of approximately the same length as this, End frames are provided at both ends of the base frame, and the end frames Both A second multipolar permanent magnet assembly made up of a plurality of rod-shaped permanent magnets is disposed on the outside, and the rod-shaped permanent magnets constituting the first multipolar permanent magnet assembly are orthogonal to the central axis of the base frame. The first multipole permanent magnet is formed in a cross section perpendicular to the central axis of the end frame by a rod-like permanent magnet that forms a main magnetic closed circuit in the cross section and constitutes the second multipole permanent magnet assembly. An end magnetic closed circuit of the same polarity as the assembly is formed. , A mirror magnet is disposed in the vicinity of each outer portion of the second multipole permanent magnet assembly, and the yoke body is interposed between the mirror magnets on both sides, thereby introducing a microwave introduction waveguide For connection to the plasma chamber, the base frame and the yoke body, at least one connection portion is provided in the triple structure, and the waveguide is connected to the first multipolar permanent magnet. The plasma chamber, the base frame, and the yoke body are each positioned between the rod-like permanent magnets in the assembly, and long holes parallel to the central axis direction thereof are formed, and the long hole portion of the plasma chamber is An RF window is provided in the connection portion so that microwaves are introduced from the radial direction of the plasma chamber, and the plurality of rod-like permanent magnets in the first multipole permanent magnet assembly has a number of magnetic poles N (N The rod-shaped permanent magnets belonging to each group have their magnetic pole directions in a plane perpendicular to the central axis of the base frame. And the adjacent pairs in the circumferential direction of the base frame are configured to have opposite magnetic poles, and the plurality of rod-like permanent magnets in the second multipole permanent magnet assembly are The magnetic poles in the plane perpendicular to the central axis of the base frame are made to have the same orientation so that the combination of the same magnetic poles as that of the N sets of magnet assemblies divided in one multipolar permanent magnet assembly is obtained. N sets of rod-shaped permanent magnets arranged so that adjacent magnetic poles spaced apart from each other in the circumferential direction of the end frame are opposite to each other, and the N poles between the N sets of rod-shaped permanent magnets, and the magnetic poles are in the end frame Only facing the circumferential direction Consisting of N sets of rod-shaped permanent magnets arranged the like poles adjacent with respect to the circumferential direction are opposite directions to each other An ECR multipolar permanent magnet device is provided.
[0008]
A space is provided between adjacent sets of the plurality of rod-shaped permanent magnets in the first multipolar permanent magnet assembly in the circumferential direction of the base frame, and the base frame corresponding to the space and A space is also formed in the yoke body.
[0009]
The first multi-pole permanent magnet assembly is composed of a plurality of magnet groups in each of the rod-shaped permanent magnets divided into N sets in the circumferential direction of the base frame according to the number N of magnetic poles, In each set, the magnetic poles are arranged in the same direction.
[0010]
The outer peripheral surfaces of the base frame and the end frame are respectively formed on polygonal flat surfaces to which a plurality of rod-shaped permanent magnets in the first and second multipolar permanent magnet assemblies are fixed, and the base frame and The inner peripheral surface of the end frame is cylindrical.
[0011]
The rod-shaped permanent magnets in the first and second multipolar permanent magnet assemblies have a substantially square cross-sectional shape, and the base frame and the end frame are flattened by adjoining the rod-shaped permanent magnets belonging to the same group. Stick to the surface.
[0014]
It is preferable that the end frame provided at both ends of the base frame is configured to be an extension of the base frame, and the base frame and the extension are integrally formed.
[0015]
The rod-shaped permanent magnets constituting the second multipolar permanent magnet assembly have a substantially square cross-sectional shape, and the outer peripheral surface of the end frame is a flat surface on which the rod-shaped permanent magnets are fixed. The second multipolar permanent magnet assembly is covered with a cylindrical frame having the same length as that of the second multipolar permanent magnet assembly.
[0016]
The frame body is preferably aligned with the central axis of the base frame by a flange member provided outside the base frame.
[0017]
The frame body may be divided into a plurality of short substantially cylindrical shapes.
[0018]
The outer diameter of the yoke body is preferably larger than the outer diameter of the frame body.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
With reference to FIG. 1 and FIG. 2, an embodiment will be described in the case where a multipolar permanent magnet device according to the present invention is applied to an ECR ion source device. This ion source device includes a pair of mirror electromagnets 11 and 12 arranged on the outside of a cylindrical plasma chamber 10 at an interval to create a mirror magnetic field, and a mirror electromagnet 11 outside the plasma chamber 10. 12 and a multipolar permanent magnet device 20 according to the present invention. Each of the mirror electromagnets 11 and 12 is realized by a solenoid coil. Each of the mirror electromagnets 11 and 12 may be composed of a plurality of rod-shaped permanent magnets.
[0021]
A connection portion 21 a having a waveguide portion is provided on the side surface of the plasma chamber 10, and the waveguide 13 is connected to introduce microwaves into the plasma chamber 10 from the radial direction. An RF window 22a is sandwiched between portions where the waveguide and the plasma chamber are connected. The RF window 22a transmits microwaves from the atmosphere into the plasma chamber 10, but maintains the vacuum in the plasma chamber 10. The position of the RF window 22a on the side surface of the plasma chamber 10 is less susceptible to plasma irradiation due to the magnetic field structure. Compared to the case where the RF window 22a is introduced from the plasma chamber axial direction as in an ECR ion source for a conventional ion implanter, There is an advantage that it is hard to get dirty. Since the RF window 22a becomes conductive when it becomes dirty, the microwave is cut off and the operation cannot be continued.
[0022]
In such an ECR ion source device, a high magnetic field is formed in the plasma chamber 10 by the mirror electromagnets 11 and 12 and the multipolar permanent magnet device 20, and an appropriate amount of ion generating gas is added to the magnetic field and 2.45. By introducing a microwave of (GHz), electrons are heated by ECR heating, plasma is generated, and an ion beam can be generated in the axial direction of the plasma chamber 10. When there is an 875 Gauss magnetic field for 2.45 (GHz) microwaves, electron ECR heating occurs.
[0023]
An ion extraction casing 40-1 is provided at the end of the mirror electromagnet 12, and an extraction electrode 40-2 and an anode electrode 40-3 are provided in the casing 40-1.
[0024]
Another function of the magnetic field described above is to effectively confine the plasma, resulting in increased ionization efficiency and reduced contamination of the RF window 22a. Plasma that tends to spread in the direction of the mirror electromagnet 11 and the multipolar permanent magnet device 20 is lost, and is not drawn out as a beam. Specifically, the maximum value of the magnetic field generated by the mirror electromagnet 11 and the multipolar permanent magnet device 20 needs to be at least 875 gauss or more in the plasma chamber 10, and is ideal if it is 2 kilogauss or more. . 2 kilogauss is about twice as large as that of an ECR ion source device for a conventional ion implantation apparatus. When RF is introduced from the axial direction, the plasma chamber diameter becomes large due to the propagation of microwaves. Therefore, it was practically difficult to generate a strong magnetic field of 2 kilogauss. On the other hand, the magnetic field of the mirror electromagnet 12 is weaker than that of the mirror electromagnet 11 and the multipolar permanent magnet device 20, and a plasma escape path is created in that direction. Thereby, ions in the plasma are taken out of the plasma chamber 10 from the direction of the mirror electromagnet 12. The multipolar permanent magnet device 20 according to the present invention will be described with reference to FIGS. The multipole permanent magnet device 20 includes quadrupole permanent magnets 23a to 23d (first multipole permanent magnet assembly) and a cylindrical yoke 24 provided on the outside thereof. In particular, in this example, each of the quadrupole permanent magnets 23a to 23d is configured by combining two rod-shaped magnets having a trapezoidal cross-sectional shape with the wide bottom surface facing outward, and further the quadrupole permanent magnet. 23a to 23d are combined with the base frame 26 in a ring shape. The base frame 26 is made of a nonmagnetic material such as aluminum. The magnetic poles of the four-pole permanent magnets 23a to 23d are arranged such that the magnetic poles facing each other with respect to the central axis direction of the plasma chamber 10 are the same, and the adjacent magnetic poles are opposite to each other in the circumferential direction. .
[0025]
The multipolar permanent magnet device 20 is formed by combining a plurality of rod-shaped magnets extending in the direction of the central axis of the plasma chamber 10 from both ends of the base frame 26 in addition to the above-described four-pole permanent magnets 23a to 23d. It has a set of multipolar permanent magnets 25-1 to 25-2 (second multipolar permanent magnet assembly). Speaking of the multipolar permanent magnet 25-1, here, 16 magnetic poles 25-1a to 25-1h are configured by combining 16 rod-shaped magnets in pairs. Among the eight magnetic poles 25-1a to 25-1h, the magnetic poles 25-1a to 25-1d corresponding to the four-pole permanent magnets 23a to 23d have the same magnetic pole direction as that of the four-pole permanent magnets 23a to 23d. Arranged to be the same. In addition, the magnetic poles 25-1f to 25-1h arranged between the magnetic poles 25-1a to 25-1d are arranged so that the magnetic poles are in the circumferential direction and opposite to each other. Similarly, in the multipolar permanent magnet 25-2, eight magnetic poles are formed. Cylindrical frames 27-1 and 27-2 made of a nonmagnetic material are provided outside the multipolar permanent magnets 25-1 to 25-2, respectively.
[0026]
Two sets of multipolar permanent magnets 25-1 and 25-2 are interposed between the mirror electromagnets 11 and 12 and the plasma chamber 10, and if there is a yoke, the mirror electromagnets 11 and 12 cause the plasma chamber. Since the magnetic field generated in the motor 10 becomes small, the yoke 24 combined with the quadrupole permanent magnets 23a to 23d is not provided. In any case, as the permanent magnet used in the multipolar permanent magnet device 20, a magnet having a magnetization direction perpendicular to the magnetic pole surface and having the same residual magnetic flux density is used.
[0027]
The multipolar permanent magnet 25-1 is not indispensable and may be deleted. In this case, the end portion (end portion frame) of the base frame 26 that is extended to form the multipolar permanent magnet 25-1 may be omitted. Further, the portions corresponding to the both end portions may be configured separately from the base frame 26. Further, the inner side of the base frame 26 has a cylindrical shape, but the outer surface has a flat surface for easy adhesion of the quadrupole permanent magnets 23a to 23d and the multipolar permanent magnets 25-1 and 25-2. I have to. For this reason, the outer side of the base frame 26 has a polygonal shape.
[0028]
Note that four long holes 24 a to 24 d are provided on the side surface of the yoke 24 at intervals in the circumferential direction. This is because the waveguide connection described in FIG. 2 can be connected at four arbitrary locations. The base frame 26 is provided with the long holes 26a only at the portions corresponding to the long holes 24a. However, the base frame 26 has the same length as the long holes 26a at the portions corresponding to the long holes 24b to 24d according to the connection portions of the waveguide. For this reason, not only locations corresponding to the elongated holes 24a in the base frame 26 but also locations corresponding to the elongated holes 24b to 24d are removed from the installation area of the quadrupole permanent magnets 23a to 23d as spaces. ing. And the location where the long hole is provided in the base frame 26 is the location corresponding to the polygonal corner, but when the long hole is provided, the corner is ground.
[0029]
Of course, long holes may be provided in advance in locations corresponding to the four long holes 24 a to 24 d of the yoke 24 in the base frame 26. In this case, the plasma chamber 10 is also provided with a long hole at a position corresponding to the long hole of the base frame 26, but a long hole to which the waveguide 13 is not connected in order to maintain the degree of vacuum in the plasma chamber 10. Needs to be closed with something like a lid.
[0030]
Returning to FIG. 1, a gas introduction pipe 29 for ion generation is connected to the left end of the plasma chamber 10. The right end of the plasma chamber 10 is opened to serve as an ion beam outlet, and a guide tube (not shown) for guiding the ion beam to the irradiation unit is connected to the opening of the plasma chamber 10.
[0031]
In such an ECR ion source device, a pair of mirror electromagnets 11 and 12 and a multipolar permanent magnet device 20 form a high magnetic field having a minimum B structure in the plasma chamber 10, and a gas for generating ions is generated in this magnetic field. In addition, by introducing a microwave of 2.45 (GHz), an ion beam can be generated in the axial direction of the plasma chamber 10.
[0032]
Such a multipolar permanent magnet device 20 is manufactured as follows. First, a cylindrical base frame 26 made of a non-magnetic material is prepared, and quadrupole permanent magnets 23a to 23d are bonded to the outside of the base frame 26, and multipolar permanent magnets 25-1 and 25-2 are attached to both ends thereof. 25-2 is glued. Next, the yoke 24 is combined with these outsides, and the frame bodies 27-1 and 27-2 are provided outside the multipolar permanent magnets 25-1 and 25-2 on both ends of the yoke 24.
[0033]
Here, positions close to both ends of the base frame 26, that is, boundary portions between the installation areas of the quadrupole permanent magnets 23 a to 23 d and the installation areas of the multipolar permanent magnets 25-1 and 25-2 are respectively in the radial direction. Extending flange portions 26-1 and 26-2 are formed. In particular, the protruding length of the flange portion 26-1 is slightly larger than that of the flange portion 26-2, and a notch 24-1 is provided in the circumferential direction on the inner periphery of the end of the yoke 24 corresponding to the flange portion 26-1. ing. Thereby, the front-end | tip of the flange part 26-1 has the function of positioning when the yoke 24 is assembled | attached. Further, steps 26-1a and 26-2a for positioning the frames 27-1 and 27-2 are provided on the outer surfaces of the flange portions 26-1 and 26-2. Steps 26-1b and 26-2b on processing of the quadrupole permanent magnets 23a to 23d are provided on the inner surface of 26-2.
[0034]
As described above, the base frame 26 is provided with a long hole 26a for installing the connecting portion 21a. The inner side of the base frame 26 has a cylindrical shape, but the outer surface is flattened so that the quadrupole permanent magnets 23a to 23d and the multipolar permanent magnets 25-1 and 25-2 are easily adhered. ing.
[0035]
The mirror electromagnets 11 and 12 are supported by a support member (not shown), and the multipolar permanent magnet device 20 is incorporated in a circular space at the center of the mirror electromagnets 11 and 12. Next, the cylindrical plasma chamber 10 that is sufficiently longer than this is incorporated inside the base frame 26.
[0036]
The conditions necessary for the above assembly are listed below.
[0037]
The base frame 26 is a one-piece unit by cutting.
[0038]
The outer peripheral surface of the base frame 26 has a polygonal cross-sectional shape and is flattened.
[0039]
When the arrangement of the quadrupole permanent magnets 23a to 23d and the multipolar permanent magnets 25-1 and 25-2 changes, the dimensions of the polygon may be changed.
[0040]
In order to position the yoke 25, the flanges 26-1 and 26-2 are formed on the outer periphery of the base frame 26. The method for producing the flanges 26-1 and 26-2 is as follows.
[0041]
In the first method, the flange is formed at the same time as the base frame 26 is cut out.
[0042]
In the second method, a ring-shaped object serving as a flange is fitted into the base frame 26 later.
[0043]
The third method is configured by attaching three or more spacers having steps 26-1a and 26-1b later.
[0044]
The yoke 24 is finished in a cylindrical shape.
[0045]
Although the inner surface of the yoke 24 is substantially cylindrical, the axial positioning of the yoke 24 with respect to the base frame 26 can be simplified by making a notch 24-1 in a part thereof.
[0046]
Each surface of the permanent magnet is flattened.
[0047]
The central axis of the yoke 24 is fitted with the flange of the base frame 26 so as to coincide with the axis of the base frame 26.
[0048]
The base frame 26 determines the axis of the yoke 24 through the flange, and the permanent magnet blocks 23 a to 23 d and 25-1 a to 25-1 h are not used for the alignment of the yoke 24.
[0049]
According to the multipolar permanent magnet device as described above, a high magnetic field having a minimum B structure is formed in the plasma chamber 10 by a combination with a pair of appropriate mirror electromagnets 11 and 12. As is well known, the magnetic field of the minimum B structure is a confined magnetic field structure in which ECR (Electron Cyclotron Resonance) resonance occurs in the plasma chamber 10 and the region where the ECR resonance occurs is closed in the plasma chamber 10. It is. In other words, the inner wall surface of the plasma chamber 10 and the ECR zone do not intersect, and the magnetic field of this minimum B structure is the ECR magnetic field B in space. ECR (In the case of 2.45 MHz, it is 875 Gauss) Starting from one point weaker than B, before hitting the inner wall of the plasma chamber 10 in any direction ECR Is a magnetic field that must be crossed. The ECR zone here is one in which ECR resonance points are continuously formed into a surface.
[0050]
In such a confinement magnetic field, as compared with the conventional microwave ion source device, the plasma electrons generated in the plasma chamber 10 are suppressed from being dissipated in the radial direction of the plasma chamber 10, thereby confining the electrons. By extending the time and promoting the heating of the electrons by the ECR heating action, particularly when the degree of vacuum in the plasma chamber 10 is high, it becomes easy to generate multivalent ions when colliding with gas atoms. Then, all ions including such multivalent ions are efficiently suppressed from leaking in the radial direction of the plasma chamber 10, and adhesion to the inner wall of the plasma chamber 10 and the RF window is suppressed. This means that it is possible to suppress the microwave transmission efficiency from being lowered due to the adhesion of ions to the RF window 22a.
[0051]
Thus, when the ion confinement efficiency is improved, the amount of gas introduced into the plasma chamber 10 can be reduced, and the degree of contamination in the plasma chamber 10 can be reduced. Even if the introduced gas is a corrosive gas, it is possible to suppress the ions from adhering to the inner wall of the plasma chamber 10 and corroding the inner wall. This means that the lifetime of the ion source device is prolonged.
[0052]
In addition, by setting the multipolar permanent magnets in the region where the microwave is introduced to the quadrupole permanent magnets 23a to 23d, the interaction with the magnetic field by the pair of mirror electromagnets 11 and 12 causes the central axis of the plasma chamber 10 to move. An ion beam having an elongated cross-sectional shape intersecting at right angles can be generated. It is known that the cross-sectional shape of this ion beam changes according to the number of poles of the multipolar permanent magnet in the region where the microwave is introduced. Incidentally, in the case of 6 poles, the cross-sectional shape is substantially triangular, and in the case of 8 poles, it is substantially square. In addition, it is preferable that the magnetic field strength comprised in the plasma chamber 10 is a magnetic field of 2 kilogauss or more.
[0053]
Next, the operation of the pair of mirror electromagnets 11 and 12 and the yoke 24 will be described with reference to FIG. It is known that when the frequency of the microwave introduced into the plasma chamber 10 is 2.45 (MHz), ECR resonance occurs at a magnetic field strength of 875 (Gauss). The absolute value | B | of the magnetic field generated by the mirror electromagnets 11 and 12 is as shown in FIG. 5B when the central axis r = 0 of the plasma chamber 10. In order to cause ECR resonance, it is necessary to form a convex valley between the mirror electromagnets 11 and 12 such that the curves intersect at 875 (Gauss) as shown in FIG. 5B. .
[0054]
Here, if the distance between them is too small compared to the inner diameters of the mirror electromagnets 11 and 12, the absolute value | B | of the magnetic field cannot form a convex valley below that intersects at 875 (Gauss). The ECR resonance point disappears. For this purpose, a cylindrical iron yoke 24 is interposed between the mirror electromagnets 11 and 12 to absorb the magnetic lines near r = 0 and lower the valley downward.
[0055]
Since the multipolar permanent magnet combined with the mirror electromagnets 11 and 12 cannot create a magnetic field in the plasma chamber 10 unless it is inside the yoke 24, the pole-shaped magnets are used to form the quadrupole permanent magnets 23a to 23d. The thin space between the yoke 24 and the plasma chamber 10 can be used for accommodation.
[0056]
Next, the principle of ion confinement action by a magnetic field of a quadrupole permanent magnet will be described with reference to FIG. In FIG. 6, the magnetic field lines between the quadrupole permanent magnets are symbolically shown one by one. Also, the broken line indicates the isomagnetic field strength range of the absolute value | B | of the magnetic field. The closer to the center, the closer the magnetic field strength is to an isotropic shape, but the more the magnetic field becomes isotropic, the closer it is to the magnetic pole. It ’s not right. The charged particles existing in such a magnetic field try to move to the magnetic pole side while moving in a spiral around the magnetic field lines. In other words, the charged particles tend to move toward the direction where the center of rotation becomes stronger. Such charged particles are also subject to a rebound action that moves in the opposite direction as the magnetic field strength increases as it approaches the magnetic pole. The degree of the rebound is determined by the initial motion direction, and the rebound is more easily as the strength ratio of the magnetic field (the ratio between the minimum value of the valley of the curve and the peak value in terms of FIG. 5B) increases. By such a principle, an ion confinement action in which the residence time of ions becomes long occurs. On the other hand, the RF window 22a is in a position that is parallel to the magnetic field lines, and ions are difficult to move in a direction perpendicular to the magnetic field lines, which is also one of the causes that the attachment of ions to the RF window 22a is difficult to occur.
[0057]
By the way, the reason why the frequency of the microwave is set to 2.45 (GHz) is that this frequency generator is used in household electric appliances such as a microwave oven and is provided at the lowest price. If it is not necessary to consider this, another frequency may be used.
[0058]
The present invention has been described with respect to the case of a four-pole permanent magnet, but it goes without saying that the number of magnetic poles is not limited to four. Further, the case where the present invention is applied to an ECR ion source device has been described. However, the multipolar permanent magnet device for ECR according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and requires a high magnetic field, particularly using ECR resonance. Needless to say, the present invention can be applied to all permanent magnet devices.
[0059]
【The invention's effect】
According to the multipolar permanent magnet device according to the present invention described above, the following effects can be obtained.
[0060]
Even if the permanent magnet block does not have an arch structure like a stone bridge, it does not come off inside.
[0061]
Since the permanent magnet blocks are not necessarily brought into close contact with each other, fine precision is not required for the angle of the surface.
[0062]
Since the outer periphery of the base frame is flat and the inner surface of the yoke is curved, the permanent magnet blocks that are not easily displaced in the circumferential direction are not necessarily brought into close contact with each other, so that the permanent magnet blocks can be arranged apart in the circumferential direction.
[0063]
If long holes are formed in the base frame and the yoke at the gaps between the permanent magnet blocks, microwave introduction openings can be provided in the radial direction.
[0064]
RF can be introduced from the radial direction of the plasma chamber through the opening, and even if the permanent magnet block is peeled off, it is difficult to shift laterally.
[0065]
Even if the yoke becomes a cover and the permanent magnet is peeled off, it does not jump out.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing the structure of an ECR ion source device to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG.
FIG. 3 is a view showing a preferred embodiment of the multipolar permanent magnet device according to the present invention, in which FIG. (A) is a partially sectional side view, and (b) is taken along line BB ′ in FIG. Sectional drawing and figure (c) are sectional drawings by line CC 'of figure (a).
4 is a side view and a cross-sectional view of the yoke, the base frame and the frame shown in FIG. 3. FIG.
FIGS. 5A and 5B are diagrams for explaining the operation of the mirror electromagnet and the yoke shown in FIG. 1, in which FIG. 5A is a longitudinal sectional view, and FIG. 5B is a magnetic field with respect to a distance Z in FIG. FIG. 6 is a characteristic diagram showing an absolute value intensity | B |.
6 is a diagram for explaining the operation of the quadrupole permanent magnet shown in FIG. 2; FIG.
[Explanation of symbols]
10 Plasma chamber
11, 12 Mirror electromagnet
13 Waveguide
20 Multi-pole permanent magnet device
21a connection
22a RF window
23a-23d 4-pole permanent magnet
24 York
25-1, 25-2 Multipole permanent magnet
26 Base frame
27-1, 27-2 Frame
29 Gas introduction pipe

Claims (9)

プラズマチャンバの外側に配置した筒状の基体枠の外周面に該基体枠の中心軸方向に配置されるように複数の棒状永久磁石による第1の多極永久磁石組体を配設し、
前記第1の多極永久磁石組体における前記複数の棒状永久磁石の外側にはこれとほぼ同じ長さの筒状の外枠体となるヨーク体を被せ、
前記基体枠の両端に端部枠を設け、
該端部枠の外側には複数の棒状永久磁石による第2の多極永久磁石組体を配設し、
前記第1の多極永久磁石組体を構成する棒状永久磁石により、前記基体枠の中心軸と直交する断面内において主磁気閉回路を形成し、
前記第2の多極永久磁石組体を構成する棒状永久磁石により、前記端部枠の中心軸と直交する断面内において前記第1の多極永久磁石組体と同極の端部磁気閉回路を形成し
前記第2の多極永久磁石組体のそれぞれの外側部分に近接してミラー磁石を配置すると共に、両側の前記ミラー磁石の間に前記ヨーク体を介在させ、
マイクロ波導入用の導波管との接続のために、前記プラズマチャンバ、前記基体枠及び前記ヨーク体の三重構成体に少なくとも1つの接続部を設けて導波管を接続し、該接続部は前記第1の多極永久磁石組体における棒状永久磁石間に位置させると共に、前記プラズマチャンバ、前記基体枠及び前記ヨーク体にはそれぞれそれらの中心軸方向に平行な長穴を形成し、且つ前記プラズマチャンバの長穴部分の前記接続部にはRF窓を配設して前記プラズマチャンバの半径方向からマイクロ波を導入するようにし、
前記第1の多極永久磁石組体における前記複数の棒状永久磁石は、磁極数N(Nは偶数)に応じて前記基体枠の周方向に関してN組の磁石組体に分割構成して、それぞれの組に属する棒状永久磁石は前記基体枠の中心軸と直交する面内の磁極の向きをそれぞれの組において同じにし、しかも前記基体枠の周方向に関して隣り合う組は互いに反対の磁極になるように構成し、
前記第2の多極永久磁石組体における前記複数の棒状永久磁石は、
前記第1の多極永久磁石組体において分割構成された前記N組の磁石組体と同じ磁極の組み合わせになるように、前記基体枠の中心軸と直交する面内の磁極の向きを同じにし、しかも前記端部枠の周方向に関して間隔をおいて隣り合う磁極は互いに反対の磁極になるように配置したN組の棒状永久磁石と、
これらN組の棒状永久磁石の間にあって磁極が前記端部枠の周方向を向きしかも該周方向に関して隣り合う磁極が互いに反対向きになるように配置したN組の棒状永久磁石とから成ることを特徴とするECR用多極永久磁石装置。
A first multi-pole permanent magnet assembly comprising a plurality of rod-shaped permanent magnets is disposed on the outer peripheral surface of a cylindrical base frame disposed outside the plasma chamber so as to be disposed in the direction of the central axis of the base frame;
Covering the outside of the plurality of rod-shaped permanent magnets in the first multipole permanent magnet assembly is a yoke body that is a cylindrical outer frame body of approximately the same length as this,
End frames are provided at both ends of the base frame,
A second multipole permanent magnet assembly made up of a plurality of rod-shaped permanent magnets is disposed on both outer sides of the end frame,
A main magnetic closed circuit is formed in a cross section perpendicular to the central axis of the base frame by the rod-like permanent magnets constituting the first multipole permanent magnet assembly,
An end magnetic closed circuit having the same polarity as that of the first multipole permanent magnet assembly in a cross section orthogonal to the central axis of the end frame by the rod-like permanent magnets constituting the second multipole permanent magnet assembly Form the
A mirror magnet is disposed in proximity to each outer portion of the second multipole permanent magnet assembly, and the yoke body is interposed between the mirror magnets on both sides,
For connection with a waveguide for introducing microwaves, at least one connection portion is provided in the triple structure of the plasma chamber, the base frame, and the yoke body to connect the waveguide, Positioned between the rod-like permanent magnets in the first multipolar permanent magnet assembly, the plasma chamber, the base frame and the yoke body are each formed with a long hole parallel to the central axis direction thereof, and An RF window is disposed in the connection portion of the elongated hole portion of the plasma chamber so that microwaves are introduced from the radial direction of the plasma chamber,
The plurality of rod-like permanent magnets in the first multipolar permanent magnet assembly are divided into N magnet assemblies in the circumferential direction of the base frame according to the number of magnetic poles N (N is an even number), The rod-shaped permanent magnets belonging to the pair of magnets have the same orientation of the magnetic poles in the plane perpendicular to the central axis of the base frame, and the pairs adjacent to each other in the circumferential direction of the base frame are opposite to each other. To configure
The plurality of rod-shaped permanent magnets in the second multipolar permanent magnet assembly are:
The direction of the magnetic poles in the plane perpendicular to the central axis of the base frame is made the same so that the combination of the same magnetic poles as the N sets of magnet assemblies divided in the first multipole permanent magnet assembly is obtained. In addition, N sets of rod-shaped permanent magnets arranged so that adjacent magnetic poles at intervals with respect to the circumferential direction of the end frame are opposite to each other;
These N sets of rod-shaped permanent magnets are arranged between the N sets of rod-shaped permanent magnets so that the magnetic poles face the circumferential direction of the end frame and the adjacent magnetic poles are opposite to each other in the circumferential direction. A multipolar permanent magnet device for ECR that is characterized.
請求項記載のECR用多極永久磁石装置において、
前記基体枠の周方向に関して前記第1の多極永久磁石組体における前記複数の棒状永久磁石の隣り合う組と組との間に空間部を設け、
該空間部に対応する前記基体枠及び前記ヨーク体の部分にも空間部を形成するように構成したことを特徴とするECR用多極永久磁石装置。
The multipolar permanent magnet device for ECR according to claim 1 ,
A space is provided between adjacent sets of the plurality of rod-shaped permanent magnets in the first multipolar permanent magnet assembly in the circumferential direction of the base frame, and
A multipolar permanent magnet device for ECR, characterized in that a space portion is also formed in the base frame and the yoke body corresponding to the space portion.
請求項記載のECR用多極永久磁石装置において、
前記第1の多極永久磁石組体は、磁極数Nに応じて該基体枠の周方向に関してN組に分割構成している前記棒状永久磁石を、各組において複数の磁石群から構成し、各組では磁極を同方向に揃えたことを特徴とするECR用多極永久磁石装置。
The multipolar permanent magnet device for ECR according to claim 2 ,
The first multi-pole permanent magnet assembly is composed of a plurality of magnet groups in each of the rod-shaped permanent magnets divided into N sets in the circumferential direction of the base frame according to the number N of magnetic poles, A multi-pole permanent magnet device for ECR characterized in that the magnetic poles are aligned in the same direction in each set.
請求項1記載のECR用多極永久磁石装置において、
前記基体枠及び前記端部枠の外周面はそれぞれ、前記第1及び第2の多極永久磁石組体における複数の棒状永久磁石を固着する多角形状の平坦面に形成すると共に、前記基体枠及び前記端部枠の内周面は円筒化されていることを特徴とするECR用多極永久磁石装置。
The multipolar permanent magnet device for ECR according to claim 1,
The outer peripheral surfaces of the base frame and the end frame are respectively formed on polygonal flat surfaces to which a plurality of rod-shaped permanent magnets in the first and second multipolar permanent magnet assemblies are fixed, and the base frame and The multipolar permanent magnet device for ECR, wherein an inner peripheral surface of the end frame is cylindrical.
請求項記載のECR用多極永久磁石装置において、
前記第1及び第2の多極永久磁石組体における前記棒状永久磁石は略四角形の断面形状を有し、同じ組に属する前記棒状永久磁石を隣接させて前記基体枠及び前記端部枠の平坦面に固着していることを特徴とするECR用多極永久磁石装置。
In the multipolar permanent magnet device for ECR according to claim 4 ,
The rod-shaped permanent magnets in the first and second multipolar permanent magnet assemblies have a substantially rectangular cross-sectional shape, and the base frame and the end frame are flattened by adjoining the rod-shaped permanent magnets belonging to the same group. A multipolar permanent magnet device for ECR, which is fixed to a surface.
請求項記載のECR用多極永久磁石装置において、
前記基体枠の両端に設けた前記端部枠は前記基体枠の延長体となるように構成し、該基体枠と該延長体とを一体成形することを特徴とするECR用多極永久磁石装置。
The multipolar permanent magnet device for ECR according to claim 1 ,
The end frame provided at both ends of the base frame is configured to be an extension of the base frame, and the base frame and the extension are integrally molded. .
請求項記載のECR用多極永久磁石装置において、
前記第2の多極永久磁石組体を構成する棒状永久磁石は略四角形の断面形状を有し、前記端部枠における外周面は、前記棒状永久磁石を固着する面が平坦面にされており、前記第2の多極永久磁石組体の外側にはこれとほぼ同じ長さの筒状の枠体を被せて成ることを特徴とするECR用多極永久磁石装置。
The multipolar permanent magnet device for ECR according to claim 1 ,
The rod-shaped permanent magnets constituting the second multipolar permanent magnet assembly have a substantially rectangular cross-sectional shape, and the outer peripheral surface of the end frame has a flat surface on which the rod-shaped permanent magnets are fixed. A multi-pole permanent magnet device for ECR, wherein the second multi-pole permanent magnet assembly is covered with a cylindrical frame having substantially the same length as that of the second multi-pole permanent magnet assembly.
請求項記載のECR用多極永久磁石装置において、
前記枠体は、前記基体枠の外側に設けられたフランジ部材により前記基体枠の中心軸と一致されることを特徴とするECR用多極永久磁石装置。
The multipolar permanent magnet device for ECR according to claim 7 ,
The multi-pole permanent magnet device for ECR, wherein the frame body is aligned with a central axis of the base frame by a flange member provided outside the base frame.
請求項記載のECR用多極永久磁石装置において、
前記ヨーク体の外径を、前記枠体の外径よりも大きくしたことを特徴とするECR用多極永久磁石装置。
The multipolar permanent magnet device for ECR according to claim 7 ,
The multipolar permanent magnet device for ECR, wherein an outer diameter of the yoke body is larger than an outer diameter of the frame body.
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