JP4956746B2 - 荷電粒子発生装置及び加速器 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子を発生する荷電粒子発生装置及びその装置から発生した荷電粒子を加速電圧の印加により加速する加速管と荷電粒子発生装置とを備える加速器に関するものである。

従来、この種の技術としては、原料ガスと高電圧を用いて荷電粒子源から荷電粒子（例えば、イオンや電子）を発生する荷電粒子発生装置や、荷電粒子発生装置と、その装置から出射された荷電粒子を加速電圧の印加により加速する加速管と、を具備する加速器が知られている。中でも、円管状の加速管本体の内周面に互いに所定の間隔を隔てて軸心方向に複数の加速電極を配設すると共に、隣接する加速電極を電圧分割抵抗体により接続し、両端の加速電極間に印加した加速電圧を分割した電圧を隣接する加速電極間に印加して、荷電粒子発生装置から出射した荷電粒子を多段階に加速するようにした多段階加速型の加速器が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

このような加速器では、荷電粒子源から荷電粒子発生装置の外部への放電や電圧分割抵抗体の沿面放電を防止するために高耐圧の絶縁を行う必要があり、そのため、一般に荷電粒子源や加速管を、例えば、ＳＦ６のような耐電圧絶縁ガスで封止している。
特開平１１−２５９００号公報

しかしながら、荷電粒子源や加速電極間には荷電粒子の高速化等の目的で高電圧が印加されるため、上記のように絶縁性の高い雰囲気を作り出すことも必要であるが、荷電粒子発生装置や加速管を荷電粒子発生装置の外部への放電や加速管が具備する電圧分割抵抗体の沿面放電が起こりにくい構造にすることも重要である。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、外部への放電が起こりにくい構造の荷電粒子発生装置、及びその装置と荷電粒子を加速電圧の印加により加速する加速管とを備えた加速器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の荷電粒子発生装置は、上方に開口した第１の箱型絶縁部材と、該第１の箱型絶縁部材の内側に納められて各側壁及び底面部が外側に隣接する前記第１の箱型絶縁部材の側壁及び底面部と所定の距離だけ離間する上方に開口した１つ以上の内部に納められた第２の箱型絶縁部材と、前記第１及び第２の箱型絶縁部材の側壁の間の空間に各側壁が挿入されるように下方に開口した１つ以上の逆箱型絶縁部材から構成される絶縁部材の最も内側の前記第２の箱型絶縁部材内に荷電粒子源を設け、前記第２の箱型絶縁部材の側壁の外側面が、隣接する前記逆箱型絶縁部材の側壁の内側面に全域にわたって覆われていることを特徴としている。

請求項２記載の荷電粒子発生装置は、上方に開口した第１の箱型絶縁部材と、該第１の箱型絶縁部材の内側に納められて各側壁及び底面部が外側に隣接する前記第１の箱型絶縁部材の側壁及び底面部と所定の距離だけ離間する上方に開口した第２の箱型絶縁部材と、前記第１及び第２の箱型絶縁部材の側壁の間の空間に各側壁が挿入されるように下方に開口した逆箱型絶縁部材と、を備え、前記第２の箱型絶縁部材の側壁の外側面が、隣接する前記逆箱型絶縁部材の側壁の内側面に全域にわたって覆われており、前記第２の箱型絶縁部材の内部に配設された荷電粒子源から発生した荷電粒子を前記第１及び第２の箱型絶縁部材の底面部に形成された出射口を介して出射することを特徴としている。

請求項３記載の荷電粒子発生装置は、請求項１から２のいずれかに記載の荷電粒子発生装置において、前記第２の箱型絶縁部材の上方の開口部を塞ぐように端縁が前記第２の箱型絶縁部材の側壁の上端に載置される絶縁蓋部材を更に備えることを特徴としている。

請求項４記載の荷電粒子発生装置は、請求項３に記載の荷電粒子発生装置において、前記第１の箱型絶縁部材、前記第２の箱型絶縁部材、前記絶縁蓋部材、及び前記逆箱型絶縁部材は、ポリプロピレン又はポリエチレンによって形成されたものであることを特徴としている。

請求項５記載の加速器は、請求項１から４のいずれか記載の荷電粒子発生装置と、該装置から出射した荷電粒子を加速電圧の印加により加速する加速管と、を具備する加速器であって、前記加速管は、円管状に形成された合成樹脂製の加速管本体と、該加速管本体の内周面に互いに所定の間隔を隔てて前記加速管本体の軸心方向に一列に並んで設けられたリング状の複数の加速電極と、複数の抵抗器を直列に接続し、これら複数の抵抗器をその接続方向に延びる絶縁性熱収縮チューブで被覆するとともに、前記加速管本体の外周面に螺旋状に形成され、絶縁ゲルにて充填された溝に埋め込まれた加速管用電圧分割抵抗体と、前記加速管本体の径方向に貫通し且つ前記加速管本体に密接して設けられて、前端が前記加速電極と電気的に接続され、後端が前記加速管用電圧分割抵抗体の各接続点と電気的に接続された複数の端子部材と、を備えることを特徴としている。

請求項１に記載の荷電粒子発生装置によれば、第１及び第２の箱型絶縁部材及び逆箱型絶縁部材を用いることにより荷電粒子源から外部に至る経路を長くし、外部への放電防止効果を高めることができる。そのため、高電圧が印加される荷電粒子源から外部へ放電するのを防止するために、荷電粒子源をＳＦ６等の耐電圧絶縁ガスで封止する必要がないという利点がある。

請求項２に記載の荷電粒子発生装置によれば、請求項１に記載の荷電粒子発生装置の効果に加えて、電圧源から荷電粒子源に供給される電圧値に応じて、第１の箱型絶縁部材、第２の箱型絶縁部材、及び逆箱型絶縁部材を適当な寸法で形成することにより、荷電粒子源から荷電粒子発生装置の外部へ放電するのを効果的に防止することができる。また、使用者は、逆箱型絶縁部材を上方に持ち上げるだけで荷電粒子発生装置の内部を開放できるので、荷電粒子源等のセッティング及びメンテナンスを容易に行うことができるという利点がある。

請求項３に記載の荷電粒子発生装置によれば、請求項１から２のいずれかに記載の荷電粒子発生装置の効果に加えて、絶縁蓋部材が第２の箱型絶縁部材の上方に載置されるので、第２の箱型絶縁部材の上方の開口部を容易に閉塞することができ、また、放電の防止効果を高めることができる。

請求項４に記載の荷電粒子発生装置によれば、請求項３に記載の荷電粒子発生装置の効果に加えて、第１の箱型絶縁部材、第２の箱型絶縁部材、及び逆箱型絶縁部材の絶縁性が一般的な絶縁体に比べて高いので、放電の防止効果を高めることができる。

請求項５に記載の加速器によれば、荷電粒子源から外部に至る経路が長いため、電圧源から荷電粒子源に供給される電圧値に応じて、第１の箱型絶縁部材、第２の箱型絶縁部材、及び逆箱型絶縁部材を適当な寸法で形成することにより、荷電粒子源から荷電粒子発生装置の外部へ放電するのを効果的に防止することができる。また、複数の抵抗器が絶縁性熱収縮チューブで被覆されているので、加速管をＳＦ６のような耐電圧絶縁ガス等で封止することなく、抵抗器の表面に沿って沿面放電が生じるのを防止することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき説明する。図１及び図２に示す本発明の実施の形態に係る荷電粒子発生装置（イオン発生装置）１は、荷電粒子源２から荷電粒子（ここでは、イオン）を発生させる装置であり、荷電粒子源（以下、「イオン源」という。）２、イオンＩを発生させるための原料ガスＧをイオン源２に供給するガスボンベ３、イオンＩの発生に必要な高電圧をイオン源２に印加する電圧源（不図示）等を備えている。なお、図２には、イオン源２やガスボンベ３等は図示していない。また、本実施形態に係る荷電粒子発生装置１は、イオン源２に原料ガスＧを供給してイオンを発生させるものであるが、イオン発生手段はこれに限定されるものではなく、固体原料の表面をスパッターすることによりイオンを発生させるようにしてもよい。

また、荷電粒子発生装置１は、第１の箱型絶縁部材４、第２の箱型絶縁部材５、絶縁蓋部材６、及び逆箱型絶縁部材７を備えている。

第１の箱型絶縁部材４は、上方に開口した箱型の絶縁部材であり、底面部９の厚さが１５ｍｍ程度、四方の側壁１０の厚さが１０ｍｍ程度に形成されており、底面部９には、イオン源２から発生したイオンＩを出射させるための出射口１１が形成されている。この第１の箱型絶縁部材４は、底面部９と４つの側壁１０とを一体成型により形成するのが好適であるが、融着により形成してもよい。但し、その場合に、接合部分に気泡が封入されるとそこから外部へ放電するおそれがあるため、気泡が生じないように注意して形成する必要がある。また、底面部９には、電圧源に電源を供給するための電源供給ラインや各種の制御ラインを挿通するために円管状に形成された挿通部材１２が融着により接合されている。

第２の箱型絶縁部材５は、第１の箱型絶縁部材４の内側に納められて各側壁１３及び底面部１４が外側に隣接する第１の箱型絶縁部材４の側壁１０及び底面部９と所定の距離だけ離間する上方に開口した箱型の絶縁部材であり、後述するが、この第２の箱型絶縁部材５の上方開口部１５を塞ぐように、絶縁蓋部材６が載置される。この第２の箱型絶縁部材５は、底面部１４の厚さが１５ｍｍ程度、側壁１３の厚さが１０ｍｍ程度となるように、第１の箱型絶縁部材４と同形状に同様の方法で形成されている。

第２の箱型絶縁部材５は、第１の箱型絶縁部材４の矩形の底面部９の四隅近傍に設置された支持部材１６の上に載置されており、これにより底面部１４が第１の箱型絶縁部材４の底面部９と所定の距離（支持部材１６の高さに相当する距離）だけ離間するように、第１の箱型絶縁部材４の内部に納められており、底面部１４には、第１の箱型絶縁部材４と同様に、イオン源２から発生したイオンＩを出射させるための出射口１７が形成されている。また、イオン源２、電圧源、ガスボンベ３等は、第２の箱型絶縁部材５の内部に配設されており、荷電粒子発生装置１は、第２の箱型絶縁部材５の内部に配設されたイオン源（荷電粒子源）２から発生した荷電粒子を第１及び第２の箱型絶縁部材４と５の底面部９と１４に形成された出射口１１と１７を介して出射する。

絶縁蓋部材６は、第２の箱型絶縁部材５の上方の開口部（上方開口部１５）を塞ぐように端縁１９が第２の箱型絶縁部材５の側壁１３の上端に載置される平板状の絶縁部材であり、その厚さは１５ｍｍ程度に形成されている。また、絶縁蓋部材６の下面には、絶縁蓋部材６が第２の箱型絶縁部材５の側壁１３の上端に載置された状態で、水平方向に移動して端縁１９が第２の箱型絶縁部材５の側壁１３の外側面よりも外側に突出しないように、係止部２０が形成されている。なお、第１の箱型絶縁部材４の側壁１０と第２の箱型絶縁部材５の側壁１３との間の空間には、図１に示すように、逆箱型絶縁部材７の側壁２１が上方から挿入されるため、絶縁蓋部材６は、端縁１９が第２の箱型絶縁部材５の側壁１３の外側面よりも水平方向に向って外側に突出しない大きさに形成されている。

逆箱型絶縁部材７は、隣接する第１及び第２の２つの箱型絶縁部材４と５の側壁１０と１３の間の空間に各側壁２１が挿入されるように下方に開口した逆箱型の絶縁部材であり、上面部２２の厚さが１５ｍｍ程度、四方の側壁２１の厚さが１０ｍｍ程度となるように、第１の箱型絶縁部材４等と同様の方法で形成されている。したがって、第２の箱型絶縁部材５の側壁１３と第１の箱型絶縁部材４の側壁１０との直線距離は、十数ｍｍ程度となっている。また、逆箱型絶縁部材７の上面部２２の端縁、すなわち、上面部２２と側壁２１とが交差する部分には、係止部２３が形成されており、この係止部２３が第１の箱型絶縁部材４の側壁１０の上端に載置されて、第１の箱型絶縁部材４の上方の開口部が逆箱型絶縁部材７により閉塞されるようになっている。また、上面部２２には、図１に示すように、側壁２１が第２の箱型絶縁部材５の側壁１３と第１の箱型絶縁部材４の側壁１０との間の空間に挿入され、且つ上面部２２が絶縁蓋部材６に載置された状態から使用者が上方に容易に持ち上げられるように、取っ手２４が形成されている。

なお、第１の箱型絶縁部材４、第２の箱型絶縁部材５、絶縁蓋部材６、及び逆箱型絶縁部材７の材質は、絶縁体であれば特に限定されるものではないが、ポリプロピレン（ＰＰ）やポリエチレン（ＰＥ）等で形成するのが好適である。また、第１の箱型絶縁部材４、第２の箱型絶縁部材５、及び逆箱型絶縁部材７は、本実施形態においては角型（四角型）のものであるが、これらの形状は角型に限定されるものではなく、例えば、上面部又は底面部のいずれか一方が開口した円筒状のものなど他の形状であっても、荷電粒子源を覆うような形状であればよく、これらも箱型絶縁部材４、５、及び逆箱型絶縁部材７に含まれるものである。

図２は、図１における第２の箱型絶縁部材５の上方開口部１５が開放された状態の第１の箱型絶縁部材４、第２の箱型絶縁部材５、絶縁蓋部材６、及び逆箱型絶縁部材７を示した斜視図である。図示するように第２の箱型絶縁部材５の上方開口部１５が開放された状態で、使用者は、図外のイオン源２、電圧源、ガスボンベ３等を第２の箱型絶縁部材５の内部にセットした後、絶縁蓋部材６を第２の箱型絶縁部材５の側壁１３の上端に載置し、更に逆箱型絶縁部材７の各側壁２１を第２の箱型絶縁部材５の側壁１３と第１の箱型絶縁部材４の側壁１０との間に挿入するようにして逆箱型絶縁部材７を第１の箱型絶縁部材４の側壁１０の上端に載置することにより、第１の箱型絶縁部材４及び第２の箱型絶縁部材５を容易に閉塞することができる。

上記のように構成された荷電粒子発生装置１は、図３に示すように、荷電粒子発生装置１と、該装置１から出射したイオンＩ（荷電粒子）を加速電圧Ｖの印加により加速する加速管２５と、を具備する加速器２６に使用することができる。加速管２５は、図３乃至図７に示すように、加速管本体２７と、複数の加速電極２８と、複数の端子ボルト（端子部材）２９と、複数の電圧分割抵抗体（加速管用電圧分割抵抗体）３０と、を備えている。

加速管本体２７は、合成樹脂製で高耐電圧のものであり、図３乃至図５に示すように、外径が１２０ｍｍ程度、内径が４０ｍｍ程度、肉厚が４０ｍｍ程度、長さが３００ｍｍ程度の円管状に形成されている。この加速管本体２７を構成する合成樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン〔ＰＴＦＥ、例えばテフロン（商品名）。〕、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）等が挙げられる。なお、加速管本体２７の内径、外径、肉厚、長さ等は、特に限定されるものではなく、必要に応じて適宜変更可能である。

加速電極２８は、図５に示すように、加速管本体２７の内周面２７ａに密着するようにリング状に形成されている。加速管本体２７の内周面２７ａには、図３に示すように、複数の加速電極２８が互いに所定の間隔を隔てて加速管本体２７の軸心方向に一列に並んで設けられている。

端子ボルト２９の雄ネジ部３２は、図５及び図６に示すように、加速管本体２７にその径方向に貫通するように形成された各ボルト孔３３に外側からそれぞれ螺着されている。なお、ボルト孔３３の端子ボルト２９周辺の所定範囲には、端子ボルト２９の雄ネジ部３２が螺合する雌ネジ（図示せず）が形成されている。

この端子ボルト２９の先端（前端）２９ａは、ボルト孔３３に挿入された植込みボルト〔（いわゆるイモネジ）スペーサ〕３４及びコイルバネ（バネ部材）３５を介して加速電極２８に電気的に接続されている。なお、ボルト孔３３の植込みボルト３４周辺には、前記雌ネジは形成されていない。

コイルバネ３５は圧縮した状態で端子ボルト２９の先端２９ａと植込みボルト３４との間に挿入されているので、植込みボルト３４は加速電極２８の外周面に圧接するように付勢されている。このように、端子ボルト２９と加速電極２８との間にコイルバネ３５を介在させておけば、加速電極２８を強固に支持できる。なお、バネ部材は、コイルバネ３５の他、板バネ、竹の子バネ、渦巻ばね等であってもよい。スペーサは、植込みボルト３４の他、金属製の丸棒等であってもよい。

ここで、端子ボルト２９は加速管本体２７の内部空間３６を高真空状態にできるように加速管本体２７に密着させておけばよいが、図６に示すように、シール用接着剤３７を介して加速管本体２７に密着させておけば、加速管本体２７と端子ボルト２９との間のシールをより確実に行うことができる。

電圧分割抵抗体３０は、図８に示すように、複数の抵抗器３９を直列に接続し、これら複数の抵抗器３９をその接続方向に延びる絶縁性熱収縮チューブ４０で被覆したものである。抵抗器３９としては、合成樹脂で表面がコーティングされた樹脂コート型の炭素皮膜抵抗器、樹脂コート型の酸化金属皮膜抵抗器、炭素粉末と合成樹脂との混合物で表面が被覆された樹脂モールド型の炭素系混合体抵抗器等が挙げられる。複数の抵抗器３９を直列に接続するには、各抵抗器３９の長手方向の端部に設けられたリード線４１の先端４１ａ同士を半田（白鉛）等の接合材４２で接合する。

絶縁性熱収縮チューブ４０は、ポリテトラフルオロエチレン〔ＰＴＦＥ，例えばテフロン（商品名）。〕又はポリエチレン（ＰＥ）等で構成されている。複数の抵抗器３９を絶縁性熱収縮チューブ４０で被覆するには、図９に示すように、円管状に形成された絶縁性熱収縮チューブ４０内に直列に接続された複数の抵抗器３９を挿入し、絶縁性熱収縮チューブ４０を加熱により図８のように複数の抵抗器３９等の表面に密着するように収縮させる。

このような電圧分割抵抗体３０は、図４、図６、図７、及び図１０に示すように、加速管本体２７の外周面２７ｂに互いが螺旋状に連なるようにその螺旋の半周分ずつ巻き付けられている。端子ボルト２９の頭部（後端）２９ｂは、電圧分割抵抗体３０の端部に設けた各コネクタ（接続点）４４とそれぞれ電気的に接続されている（図６及び図１０参照）。端子ボルト２９の頭部２９ｂをコネクタ４４に電気的に接続するには、コネクタ４４を端子ボルト２９の頭部２９ｂと加速管本体２７との間に介在させる。端子ボルト２９の頭部２９ｂを隣接する２つの電圧分割抵抗体３０のコネクタ４４に電気的に接続するには、各コネクタ４４を重合するようにして端子ボルト２９の頭部２９ｂと加速管本体２７との間に介在させる。コネクタ４４の形状は、図１０のような丸形の他、Ｕ字形、コ字形等であってもよい。

電圧分割抵抗体３０によれば、複数の抵抗器３９が絶縁性熱収縮チューブ４０で被覆されているので、抵抗器３９の表面に表面リーク電流が流れるのを防止できるという利点がある。ここで、複数の抵抗器３９を絶縁性ゲル４５で被覆し、この絶縁性ゲル４５を介して複数の抵抗器３９を絶縁性熱収縮チューブ４０で被覆しておけば、抵抗器３９の表面に表面リーク電流が流れるのをより効果的に防止できる。絶縁性ゲル４５としては、シリコーンゴム、ケイ素樹脂、ポリテトラフルオロエチレン〔ＰＴＦＥ，例えばテフロン（商品名）。〕等が挙げられる。複数の抵抗器３９を絶縁性ゲル４５で被覆する方法としては、スプレー塗装、粉末塗装等が挙げられる。また、抵抗器３９が表面に塗料が塗られていないものであれば、抵抗器３９の表面に表面リーク電流が流れるのを、塗料が塗られたものよりも確実に防止できるという利点がある。

加速管本体２７の内部空間３６は、図３に示すように、台部材４７に設けた連通孔４８及び真空容器４９に設けた連通孔５０を介して真空容器４９内と連通しており、以上のように構成された加速器２６を動作させる場合、内部空間３６をロータリーポンプ及びターボポンプ等の真空ポンプ５１を用いて高真空状態に減圧しておく。

このような状態で、ガスボンベ３からイオン源２に対して、例えば、水素（Ｈ）、ヘリウム（Ｈｅ）、ホウ素（Ｂ）、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、アルミニウム（Ａｌ）等の原料ガスＧなどの原料が供給され、電圧源から所定の高電圧（例えば、１００ｋＶ程度）が印加されると、イオン源２からは、イオンＩが加速管本体２７の内部空間３６の下方に向けてその中心軸と一致するように出射する。なお、イオン源（荷電粒子源）２から出射させる荷電粒子はイオンＩに限定されるものではなく、電子等を出射させるようにすることも当然可能である。また、ここで、上記のように固体原料の表面をスパッターしてイオンを出射させるようにしてもよい。

一方、加速管本体２７において、最上の加速電極２８と最下の加速電極２８との間に加速電圧Ｖが印加されると、加速電圧Ｖは、複数の電圧分割抵抗体３０により各加速電極２８に電圧分割される。最上の端子ボルト２９の頭部２９ｂと加速管本体２７との間や、最下の端子ボルト２９の頭部２９ｂと加速管本体２７との間には、加速電圧Ｖを印加するための電極の端部に設けたコネクタをそれぞれ介在させておいてもよい。上記のイオン源２から出射したイオンＩは、高真空状態に減圧された加速管本体２７の内部空間３６を各加速電極２８に印加された加速電圧Ｖの分割電圧により多段階に加速される。加速されたイオンＩは、台部材４７の連通孔４８及び真空容器４９の連通孔５０を通って真空容器４９内に入射し、真空容器４９内に収容された各種材料の表面改質等に利用することができる。加速電圧Ｖの値は特に限定されるものではないが、数十〜１００ｋＶ程度が適当である。

ところで、一般に加速器が上記のように機能する際、イオン源には高電圧が印加されるため、放電が生じてイオン源を収容する容器に沿ってリーク電流（表面リーク電流）が流れるおそれがある。図１１は、イオン源が載置された台部材５３を下方が開口したカバー体５４によって覆うように構成した従来のイオン発生装置の要部拡大断面図である。図示するように、イオン源（不図示）が載置された台部材５３の表面に沿って流れたリーク電流は、台部材５３とカバー体５４との接合部分を介して台部材５３の裏面又はカバー体５４の外側面を流れるおそれがある。

一方、図１２は、本実施形態に係る荷電粒子発生装置１の各箱型絶縁部材の側壁付近の要部拡大断面図である。なお、ここでは説明の都合上、各箱型絶縁部材の間隔を空けて各箱型絶縁部材を図示している。図中の（１）に示すように、第１の箱型絶縁部材４の底面部９の上面に沿ってリーク電流が流れることを想定した場合、リーク電流は、その上面の端部に至った後、逆箱型絶縁部材７の側壁２１の外側面と第１の箱型絶縁部材４の側壁１０の内側面との間を上方に流れ、第１の箱型絶縁部材４の側壁１０の外側面に沿って流れることになる。

また、図中の（２）に示すように、第２の箱型絶縁部材５の底面部１４の上面に沿ってリーク電流が流れることを想定した場合、リーク電流は、第２の箱型絶縁部材５の底面部１４の上面に沿って流れ、その上面の端部に至った後、側壁１３の内側面に沿って上方に流れ、第２の箱型絶縁部材５の側壁１３の外側面と逆箱型絶縁部材７の側壁２１の内側面との間を図中の下方向に流れる。その後、逆箱型絶縁部材７の側壁２１の外側面と第１の箱型絶縁部材４の側壁１０の内側面との間を上方向に流れ、第１の箱型絶縁部材４の側壁１０の外側面に沿って流れることになる。

また、図１及び図３に示すように、第１の箱型絶縁部材４の底面部９には、該底面部９の開口縁から下方に向って伸びる側壁部材５５が形成されている。そのため、側壁部材５５に沿ってリーク電流が流れることを想定した場合、リーク電流は、側壁部材５５の内側面に沿って下方へ流れた後、側壁部材５５の外側面に沿って上方へ流れることになる。

これらの説明から明らかなように、本実施形態に係る荷電粒子発生装置１では、イオン源２と加速器２６との間に高電圧をかけることにより、万一、表面リーク電流が流れたとしても、リーク電流が外部まで到達するのを極力防止することができる。言い換えれば、図１１に示したようなイオン発生装置で上記のようにリーク電流が外部に流れ出るような強度の電圧を本実施形態に係る荷電粒子発生装置１のイオン源２に供給したとしても、イオン源２から第１の箱型絶縁部材４の外側（外側面）に至る経路が長いため、放電が生じてリーク電流が第１の箱型絶縁部材４の外部に流れ出るのを防止することができる。そのため、イオン源２等を収容する容器である第１の箱型絶縁部材４を放電防止のために碍子で支える必要がないという利点がある。なお、第１の箱型絶縁部材４、第２の箱型絶縁部材５、絶縁蓋部材６、及び逆箱型絶縁部材７の寸法は、電圧源からイオン源２に供給される電圧値に応じて適宜適切な値に設計変更すればよい。

なお、本実施形態においては、第１の箱型絶縁部材４の内部に１個の第２の箱型絶縁部材５が納められ、隣接するこれらの箱型絶縁部材の側壁１３と側壁１０の間の空間に側壁２１が挿入される１個の逆箱型絶縁部材７を備えた荷電粒子発生装置１について説明したが、第２の箱型絶縁部材５及び逆箱型絶縁部材７の数はこれに限定されるものではない。例えば、第１の箱型絶縁部材４の内側に２個の第２の箱型絶縁部材５を納めて、２個の逆箱型絶縁部材７によりそれらの内部空間を閉塞するようにしてもよい。また、それらの構成についても、箱型絶縁部材、逆箱型絶縁部材を交互に多数にわたり用いた構成のもののほうが、荷電粒子源から外部に至る経路が長くなり、放電防止効果を高めることができる。それらの構成に用いられる箱型絶縁部材、逆箱型絶縁部材及び、絶縁蓋部材は少なくとも１つから適宜選択でき、これらも本発明に含まれるものである。

すなわち、図１に示す第２の箱型絶縁部材５の内側にそれと同形状で寸法の異なる第２の箱型絶縁部材を納めるとともにその内部にイオン源２等を配設し、図示する第２の箱型絶縁部材５の側壁１３と上記内側に納めた第２の箱型絶縁部材の側壁との間の空間に側壁が挿入されるように下方に開口した逆箱型絶縁部材と逆箱型絶縁部材７により内部空間が閉塞されるようにする。

この場合、図１に示す荷電粒子発生装置１に比べて、イオン源２から外部に至るまでの経路が更に長くなるため、より高い放電防止効果を得ることができるが、装置がコスト高になるため、第２の箱型絶縁部材５と逆箱型絶縁部材７の数は、装置コストやイオン源２に供給する電圧の電圧値等に応じて決定すればよい。

なお、本実施形態に係る荷電粒子発生装置１では、上記のように簡単な構成で表面リーク電流が外部に流れ出るのを効果的に防止することができるが、イオン源２には、電圧源から高電圧が印加されるので、放電防止効果を更に向上させるために、第１及び第２の箱型絶縁部材４と５の内部空間に耐電圧絶縁ガス（例えば、ＳＦ６）を充填するようにしてもよい。その場合には、耐電圧絶縁ガスが外部に流出しないように、第１の箱型絶縁部材４及び第２の箱型絶縁部材５の出射口１１と１７の周縁の隙間、並びに、電源供給ラインや各種の制御ラインが挿通された挿通部材１２の内部空間を適宜の閉塞部材で閉塞しておく。

また、図４、図６、図７、及び図１０に示すように、加速管本体２７の外周面２７ｂに螺旋状に延びるように形成された充填溝５６に複数の電圧分割抵抗体３０を収容し、充填溝５６内に絶縁性ゲル５７を充填しておけば、加速管２５をより小型化でき、絶縁効果をより高めることができると共に、電圧分割抵抗体３０の表面に表面リーク電流が流れるのをより効果的に防止できるという利点がある。この場合、各ボルト孔３３は、加速管本体２７の内部空間３６と充填溝５６とを連通するように設けておく。絶縁性ゲル５７としては、シリコーンゴム、ケイ素樹脂、ポリテトラフルオロエチレン〔ＰＴＦＥ，例えばテフロン（商品名）。〕等が挙げられる。

また、図７に示すように、加速管本体２７の外周面２７ｂを絶縁性カバー５８で被覆しておけば、加速管全体を高電圧からシールドできるので、使用者の安全を保つことができるという利点がある。絶縁性カバー５８の材質としては、ポリテトラフルオロエチレン〔ＰＴＦＥ，例えばテフロン（商品名）。〕、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、シリコーンゴム、ケイ素樹脂等が挙げられる。

本発明は、荷電粒子を発生する荷電粒子発生装置や、その装置と加速器とを具備する加速器（例えば、イオン注入装置など）に適用可能である。

本発明の実施の形態に係る荷電粒子発生装置の断面図である。 第１の箱型絶縁部材、第２の箱型絶縁部材、絶縁蓋部材、及び逆箱型絶縁部材の斜視図である。 本発明の実施の形態に係る加速器の断面図である。 加速管の正面図である。 加速管の平面図である。 端子ボルト付近の要部拡大図である。 図５のＡ−Ａ線要部拡大断面図である。 電圧分割抵抗体の要部拡大断面図である。 絶縁性ゲルで被覆した複数の抵抗器を絶縁性熱収縮チューブ内に挿入した状態を示す要部断面図である。 隣接する２つの電圧分割抵抗体の各端部に設けたコネクタを重合するようにして端子ボルトの頭部と加速管本体との間に介在させる様子を示す説明図である。 下方が開口したカバー体でイオン源を覆った荷電粒子発生装置において、リーク電流が流れる経路の一例を示した図である。 本実施形態に係る荷電粒子発生装置において、放電が発生することを想定した場合にリーク電流が流れる経路の一例を示した説明図である。

符号の説明

１ 荷電粒子発生装置
２ イオン源（荷電粒子源）
４ 第１の箱型絶縁部材
５ 第２の箱型絶縁部材
６ 絶縁蓋部材
７ 逆箱型絶縁部材
９、１４ 底面部
１０、１３、２１ 側壁
１１、１７ 出射口
２６ 加速器
２７ 加速管本体
２８ 加速電極
２９ 端子ボルト（端子部材）
３０ 電圧分割抵抗体（加速管用電圧分割抵抗体）
４０ 絶縁性熱収縮チューブ

Claims (5)

1. 上方に開口した第１の箱型絶縁部材と、該第１の箱型絶縁部材の内側に納められて各側壁及び底面部が外側に隣接する前記第１の箱型絶縁部材の側壁及び底面部と所定の距離だけ離間する上方に開口した１つ以上の内部に納められた第２の箱型絶縁部材と、前記第１及び第２の箱型絶縁部材の側壁の間の空間に各側壁が挿入されるように下方に開口した１つ以上の逆箱型絶縁部材から構成される絶縁部材の最も内側の前記第２の箱型絶縁部材内に荷電粒子源を設け、
   前記第２の箱型絶縁部材の側壁の外側面が、隣接する前記逆箱型絶縁部材の側壁の内側面に全域にわたって覆われていることを特徴とする荷電粒子発生装置。
2. 上方に開口した第１の箱型絶縁部材と、該第１の箱型絶縁部材の内側に納められて各側壁及び底面部が外側に隣接する前記第１の箱型絶縁部材の側壁及び底面部と所定の距離だけ離間する上方に開口した第２の箱型絶縁部材と、前記第１及び第２の箱型絶縁部材の側壁の間の空間に各側壁が挿入されるように下方に開口した逆箱型絶縁部材と、を備え、
   前記第２の箱型絶縁部材の側壁の外側面が、隣接する前記逆箱型絶縁部材の側壁の内側面に全域にわたって覆われており、
   前記第２の箱型絶縁部材の内部に配設された荷電粒子源から発生した荷電粒子を前記第１及び第２の箱型絶縁部材の底面部に形成された出射口を介して出射することを特徴とする荷電粒子発生装置。
3. 前記第２の箱型絶縁部材の上方の開口部を塞ぐように端縁が前記第２の箱型絶縁部材の側壁の上端に載置される絶縁蓋部材を更に備えることを特徴とする請求項１から２のいずれかに記載の荷電粒子発生装置。
4. 前記第１の箱型絶縁部材、前記第２の箱型絶縁部材、前記絶縁蓋部材、及び前記逆箱型絶縁部材は、ポリプロピレン又はポリエチレンによって形成されたものであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の荷電粒子発生装置。
5. 請求項１から４のいずれか記載の荷電粒子発生装置と、該装置から出射した荷電粒子を加速電圧の印加により加速する加速管と、を具備する加速器であって、
   前記加速管は、円管状に形成された合成樹脂製の加速管本体と、該加速管本体の内周面に互いに所定の間隔を隔てて前記加速管本体の軸心方向に一列に並んで設けられたリング状の複数の加速電極と、複数の抵抗器を直列に接続し、これら複数の抵抗器をその接続方向に延びる絶縁性熱収縮チューブで被覆するとともに、前記加速管本体の外周面に螺旋状に形成され、絶縁ゲルにて充填された溝に埋め込まれた加速管用電圧分割抵抗体と、前記加速管本体の径方向に貫通し且つ前記加速管本体に密接して設けられて、前端が前記加速電極と電気的に接続され、後端が前記加速管用電圧分割抵抗体の各接続点と電気的に接続された複数の端子部材と、を備えることを特徴とする加速器。

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