JP5340308B2 - フィラメント放電イオン源 - Google Patents

Description

本発明は、パルスイオン源および当該イオン源を使用する装置、例えばプラズマ発生器の分野に関する。

米国特許第３１５６８４２号明細書は、回転形状にかたどられた中空電極と、中空電極の軸に沿って位置決めされたロッドの形態でかつ中空電極の横断面より極めて小さい横断面の電極と、中空電極により画定された空間内に極めて低圧のガスを供給する手段と、電子を中空電極の端部から離して保つ手段とを備えるガスイオナイザに関する。

引用文献は、米国特許第３９７０８９２号明細書、米国特許第４０２５８１８号明細書、米国特許第４６４２５２２号明細書、米国特許第４６９４２２２号明細書、米国特許第４９１０４３５号明細書およびフランス特許第２５９１０３５号明細書により構成され得る。

電極が極細フィラメントの形態であるならば、強い均一な電流による大型のイオン源を作り出すのは難しいことが証明されている。つまり、電気放電はフィラメントに沿って不均一性を形成し、不安定であることが見出される。フィラメントは、局所的に白熱光を発し得る。チャンバの壁の内面はより高い発光特性を発現させ得る。放電チャンバの軸に沿って平行に取り付けられた複数の長いフィラメントを使用することが考えられる。しかしながら、その場合には放電がフィラメントに沿って不均一性を引き起こすとともに、フィラメントの膨張および振動と関連して機械的困難性が生じる。放電チャンバの軸に直交して取り付けられた複数の短いフィラメントが使用されるのであれば、特にガスタイトで電気的に絶縁された壁を介した極めて多くの経路の存在の結果、機械装置が複雑になる。各フィラメントを別々に供給することが考えられる。その場合には、複数の電源が必要になり、設備の電気部品をさらに相当に複雑にする。

また、安定で均一な手法で低圧チャンバを充填する放電を形成することは未だ困難である。

本発明は、特に上述した先行技術の欠点を改善することについて述べる。

米国特許第３１５６８４２号明細書 米国特許第３９７０８９２号明細書 米国特許第４０２５８１８号明細書 米国特許第４６４２５２２号明細書 米国特許第４６９４２２２号明細書 米国特許第４９１０４３５号明細書 フランス特許第２５９１０３５号明細書

本発明の目的は、特に、均一で安定な大型のイオン源を提供することにある。

フィラメント放電（電気放電）イオン源は、内壁が設けられるとともにイオン化されるガスを含むように構成されたイオン化チャンバと、イオン化チャンバ内に配置されたフィラメントと、フィラメントへの電源とを備える。フィラメントは、実質的に互いに平行に配置されるとともに、内壁を介して電源に接続される。少なくとも１つの第１のフィラメントが第１の内壁を介して電源に接続されるとともに、少なくとも１つの第２のフィラメントが第１の内壁と対向する第２の内壁を介して電源に接続される。

実際に、本出願人は、イオン化チャンバの反対側により供給されるフィラメントと交差するようにフィラメントに電流を供給することが、磁場がガスのイオン化において有する負の効果を実質的に減少させることができるのに気付いていた。数百アンペアに達する電流は例えばフィラメントから１ｃｍの距離で数千テスラのオーダの十分に強い磁場を発生させるので、自由電子の旋回半径は０．０３ｍｍのオーダ内、つまり実質的に平均自由工程未満である。その場合は、そのような電子にとってガスのイオン化は極めて考えにくい。交差した電源は、１０〜１００のオーダのファクタにより磁場を減少させることが可能である。

フィラメントは偶数個取り付け得る。フィラメントの数は、２、４、６、８、または丁度１０であり得る。フィラメントの数が４以上であるならば、フィラメントの配置は１つの第１のフィラメントが複数の第２のフィラメントと隣り合うとともに１つの第２のフィラメントが複数の第１のフィラメントと隣り合うようにし得る。用語「隣り合う」は、隣のものと極めて近いことを意味するのが理解され得る。

４つのフィラメントによる組立ての場合には、これらのフィラメントは一方の対角線に沿った第１のフィラメントと他方の対角線に沿った第２のフィラメントにより、横断面視で正方形状に配置され得る。また、４つのフィラメントは、第１のフィラメントと第２のフィラメントとが互いに交互に平面層状に配置され得る。６つのフィラメントによる組立ての場合には、これらのフィラメントは、交互の第１および第２のフィラメントによる六角形状配置、矩形状配置、または平面層状配置であり得る。８つのフィラメントによる組立ての場合には、これらのフィラメントは、２つの隣り合うフィラメントを隔てる空間より大きいスペーサにより隔てられる４つずつの２グループ、一定空間による矩形状、八角形状、平面層状などに配置され得る。

電源は、フィラメントの長さの１ｃｍあたり１Ａ未満の電流を供給するように構成され得る。これは、放電において均一性を促す。

一態様において、フィラメントはイオン化チャンバの軸と平行である。フィラメントは、イオン化チャンバの長手方向軸と平行であり得る。その場合は、ガスタイト壁を介した電気経路の数は少ない。

一態様において、フィラメントは加速チャンバの１つの軸に平行である。

２つのフィラメント間の最小空間はフィラメントの直径の４０倍より大きく、好ましくは５０倍であり得る。このようにして、作動中に各フィラメントの放電の確実な独立性が得られる。フィラメントの振動、正しくない位置決め、直線性の欠如は隣り合うフィラメント周囲に無視できる程度の分裂をもたらすにすぎない。フィラメントは直径が等しくあり得る。

イオン化チャンバの最短内周は、定数と、イオン化チャンバ内のフィラメントの数と、フィラメントの直径と、イオン化チャンバ内に存在するガスの原子質量を表すパラメータとの積であり得る。イオン化チャンバの最短内周は、イオン化チャンバ内のフィラメントの数と、フィラメントの直径と、イオン化チャンバ内に存在するガスの原子質量の平方根との積の１００倍より大きくあり得る。このようにして、放電の均一性は改善される。

一態様において、フィラメントは、タングステン、例えばタングステン合金を含む。フィラメントは、２０００Ｋより高い融点の金属を含み得る。フィラメントは、好ましくは、高温に耐える処理がされた硬い金属からなる。

一態様において、フィラメントは、０．１〜０．５ｍｍ、好ましくは０．１５〜０．３ｍｍの直径を有する。

一態様において、イオン化チャンバ内でイオン化されるガスの圧力は、０．５〜１００ａ、好ましくは１〜２０Ｐａである。

一態様において、イオン化されるガスはヘリウムを含む。

一態様において、イオン化されるガスは、ヘリウムと、５〜２５質量％、好ましくは５〜１５質量％のネオンとを含む。放電の空間的均一性が改善される。

一態様において、フィラメントの数は、電源により提供される全電流により決定される。

一態様において、イオン化チャンバの横断面の周囲の長さは、フィラメントの直径と、フィラメントの数と、イオン化チャンバ内に存在するガスの性質とにより決定される。

フィラメントへの単一の電源であり得る。

本発明は、非制限的な例として参照されるとともに添付図面により図示される複数の実施の形態の詳細な説明の知見からより良好に理解されるであろう。

図１は、長手方向断面におけるイオン源の概略図である。 図２は、横断面におけるイオン源の概略図である。 図３は、横断面におけるイオン源の概略図である。 図４は、横断面におけるイオン源の概略図である。 図５は、横断面におけるイオン源の概略図である。 図６は、横断面におけるイオン源の概略図である。

図１からわかり得るように、イオン源１は、２つの接続チャンバ２と、接続チャンバ２間に配置されるイオン化チャンバ３と、イオン抽出システム４とを備えている。イオン抽出システム４は、イオン源１が使用される用途により決まる。イオン抽出システム４は、例えば電子銃用に、電子に高い放出速度を付与することが可能な加速チャンバまたは放電チャンバを備えている。イオン化チャンバ３は、概して２つのイオン化チャンバの対向端部にイオン化チャンバと共に伸びる形状をなしている。イオン抽出システム４は、イオン化チャンバ３に対して後方に取り付けられ得る。

接続チャンバ２、イオン化チャンバ３およびイオン抽出システム４は、ガスタイトエンクロージャを形成している。このエンクロージャは、希ガス、特にヘリウム、ネオンおよび／またはアルゴンで充填され得る。エンクロージャ内の支配的なガス圧は、０．５Ｐａ〜１００Ｐａであり得、１Ｐａ〜２０Ｐａの圧力が好ましい。

イオン化チャンバ３は、リークタイト下部壁５と、接続チャンバ２と共有される２つの端部壁６、７とを備えている。貫通開口８が端部壁６、７に形成されている。イオン化チャンバ３は、イオン抽出システムと共有される上部壁９を備えている。イオン抽出スロット１０が壁９に形成されており、これによりイオン化チャンバ３とイオン抽出システム４とがつながっている。イオン化チャンバ３の前部壁および後部壁（図１では図示せず）はガスタイトである。

接続チャンバ２は、イオン化チャンバ４の下部壁５および上部壁９の延長線上に位置するガスタイト上部壁およびガスタイト下部壁を備えている。接続チャンバ２は、端部壁１１、１２によるそれらの端部で堰き止められている。ガスタイトエンクロージャを形成する壁は、ステンレス鋼または真鍮と、より一般的な、イオン化チャンバ３内部のイオン化と関連する低内圧と物理的および化学的特性との結果、特に必要とされる機械的強度を有する任意の金属材料とからなり得る。必要ならば、他の金属または金属合金、例えばアルミニウムまたはニッケルからなるコーティングが、エンクロージャの内壁上に形成され得る。

イオン化チャンバ３は、互いに平行な複数のフィラメント１３を備えている。フィラメント１３は、好ましくは偶数個設けられている。フィラメント１３は、イオン化チャンバ３の主方向に伸びている。換言すれば、フィラメント１３は、イオン化チャンバ３の主軸に平行である。フィラメント１３は、上部壁５および下部壁９それぞれから間隔を置いて取り付けられている。２つの隣り合うフィラメント１３間の距離は、フィラメント１３と上部壁５または下部壁９それぞれとの距離よりも短い。フィラメント１３は、イオン化チャンバ３の端部壁６、７に設けられる開口８を通り抜けている。これにより、開口８はフィラメント１３用の経路を形成している。開口８では、フィラメント１３は、フィラメントの直径の１０倍未満の前記端部壁６、７を形成する材料から間隔を置いたままの状態となっている。

イオン化チャンバ３は、円柱状または環状にかたどられ得る。この場合には、フィラメント１３は、絶縁体により規則的に間隔を置いて配置される複数のポイントで支持されている。フィラメントは多角形状であり得る。

接続チャンバ２はフィラメント１３支持手段を備えている。より具体的には、フィラメント１３は、接続チャンバ２の端部壁１１、１２の内面に固定された例えばセラミックベースの固定絶縁体１４により一端で支持されている。フィラメント１３の対向端部では、フィラメント１３が、貫通目的のために設けられた開口を介して端部壁１２、１１を貫通するリークタイト絶縁体１５により支持されている。絶縁体１５は、いずれも同時に、電気経路、フィラメント１３用の機械的保護およびガスタイトシールとしてふるまう。電気経路は、フィラメント１３をイオン化チャンバ３および接続チャンバ２の外部に電気的に接続できるようにする。ばね１６は、フィラメント１３と絶縁体、好ましくは固定絶縁体１４との間に介在され得る。ばね１６は接続チャンバ２内に配置されている。ばね１６は、フィラメント１３のために機械的張力を提供する。

リークタイト絶縁体１５により支持された２つの隣り合うフィラメント１３は、一方が端部壁１１上に、他方が端部壁１２上に配置されている。換言すれば、フィラメント１３は、電力が交差するように供給される。平面層内に配置された４つのフィラメントを伴う図１に示す形態では、底部から数えて１列目と３列目のフィラメントは、端部壁１１を貫通する絶縁体１５に接続されている。２列目と４列目のフィラメント１３は、端部壁１２に取り付けられたリークタイト絶縁体１５により支持されている。

１列目と３列目のフィラメント１３は、電気ケーブル１７により接合されている。２列目と４列目のフィラメント１３は、電気ケーブル１８により接合されている。電源１９は、例えば単一出力の電力出力２０を備え得る。電源１９の出力２０は、ケーブル１７へのケーブル２１とケーブル１８へのケーブル２２とにより接続され得、これによりフィラメント１３に電源を提供する。電源は、各フィラメント１３におけるフィラメントの長さの１ｃｍあたり１Ａ以下の強度の電流を供給するように構成され得る。例えば電流ループ２３、２４の形態の電流センサは、フィラメント１３により消費される前記電気ケーブル２１、２２を通過する電流を測定するために、電気ケーブル２１、２２にそれぞれ取り付けられ得る。電流センサ２３、２４からの出力は、調節目的のために電源１９用制御ユニットに接続され得る。

フィラメントの直径は０．１〜０．５ｍｍであり得る。本出願人は、０．１５〜０．３ｍｍの直径、例えば０．２ｍｍが特に有用であることを見出した。２つのフィラメント間の最短距離は、通常フィラメントの直径の４０倍より大きく、好ましくは５０倍である。つまり、０．２ｍｍのフィラメント直径用の２つのフィラメント間の最短距離は１０ｍｍである。フィラメント１３は、特に５００〜２０００Ｋの高温に耐えるように適合された硬い金属または合金からなる。融点が１９００Ｋより高く、さらに２０００Ｋより高い金属合金が選ばれ得る。フィラメントは、耐熱性の金属、例えばタングステン合金を含み得る。

イオン化チャンバ３の内周は、定数と、イオン化チャンバ内のフィラメントの数と、フィラメントの直径と、イオン化チャンバ内に存在するガスの原子質量を表すパラメータとの積以上である。例として、直径０．０２ｃｍの４つのフィラメントを伴うヘリウムイオン源にとって、内周は１００×０．０２ｃｍ×４×√２＝１１．３ｃｍより大きくあるべきであり、それは３．５ｃｍ×３．５ｃｍの正方形断面を伴うチャンバまたは直径４ｃｍの管状チャンバにより得られ得る。もちろん、混合ガスの場合には、原子質量を表すパラメータはイオン化チャンバ３に存在するガスの原子質量の加重平均の平方根であり得る。

図１に示す形態では、平面層内に配置される４つのフィラメントが存在する。あるいは、フィラメント１３は、各層が４つのワイヤを備える複数の層内に配置され得る。これらの層は互いに平行であり、互いに対して１つの層における２つのワイヤ間の距離と等しい距離または僅かに大きな距離で配置され得る。図２に示す形態では、横断面視で正方形状に配置された４つのワイヤ１３がある。その場合は、ワイヤへの接続と電源は、壁１１に配置されるリークタイト絶縁体１５により供給されるワイヤが１つの対角線を占め、他のワイヤ１３が正方形の他の対角線を占めるという意味で十字状である。イオン化チャンバ３は正方形状横断面を有している。

図３に示す形態では、ワイヤの配置は図２のそれと同様である。イオン化チャンバ３は円形の横断面を有している。その場合は、イオン源１は、概して管状または環状の形状を有している。

図４に示す形態では、イオン化チャンバ３は、図３に示す形態のそれと同様の形状を有している。２つのフィラメント１３があり、一方が壁１１により支持されるリークタイト絶縁体１５に接続されるとともに他方が端部壁１２により支持されるリークタイト絶縁体１５に接続されている。フィラメント１３への電源は、イオン化チャンバ３の対向端部から生じる。

図５に示す形態では、イオン化チャンバ３は矩形状横断面を有している。イオン化チャンバ３は直方体の概形を有し得る。イオン源１は、平面層内に配置される６つのワイヤを備えている。端部壁１１を介して供給されるフィラメント１３は、端部壁１２を介して供給されるフィラメント１３と互い違いになっている。概して管状の形状の６ワイヤイオン源の場合には、フィラメントの六角形状配置が提供され得る。あるいは、６つのフィラメントは、３つのフィラメントの２つの層に配置され得、各層は平面状である。

図６に示す形態では、イオン化チャンバ３は、図５の示すそれと概ね同様の形状を有している。イオン源１は、互いに間隔を置いて４つの２グループに配置される８つのフィラメントを備えており、フィラメントの各グループは図３に示すような正方形状に配置されている。また、フィラメント１３は、８つのワイヤの１つの層、４つのワイヤの２つの層、または八角形状に配置され得る。

作動中、電源１９が始動されるとともに、１〜１０μ秒の持続時間、１００〜１０００Ａのピーク電流を伴うパルスを例えば１〜１０ｋＶの電圧で提供する。放電が一方の電極を形成するフィラメント１３と他方の電極を形成するイオン化チャンバ３の内壁との間で起こる。ガスにおける放電は、例えばＨｅ^＋などのイオンを生成する。イオンは、スロット１０を貫通するとともに抽出システム４により処理されることが可能である。

作動中に安定なイオン源が得られ、それは特に高いイオン流速が必要な大規模設備に極めてふさわしい、均一なイオン流束を発生させる。

Claims (11)

1. 内壁が設けられるとともにイオン化されるガスを含むように構成されたイオン化チャンバ（３）と、前記イオン化チャンバ（３）内に配置されたフィラメント（１３）と、前記フィラメントへの電源（１９）とを含み、前記フィラメント（１３）は実質的に互いに平行に配置されるとともに前記内壁を介して前記電源（１９）に接続され、少なくとも１つの第１のフィラメントが第１の内壁（１１）を介して前記電源に接続されるフィラメント放電イオン源（１）であって、
   前記第１のフィラメントは、前記第１の内壁（１１）と対向する第２の内壁（１２）の内面に固定された固定絶縁体（１４）により支持され、また、少なくとも１つの第２のフィラメントは、前記第２の内壁を介して前記電源に接続され、かつ、前記第１の内壁（１１）の内面に固定された固定絶縁体（１４）により支持されることを特徴とする、イオン源。
2. 第１のフィラメントが少なくとも１つの第２のフィラメントと隣り合うことを特徴とする、請求項１に記載のイオン源。
3. 前記電源（１９）は、前記フィラメントの長さの１ｃｍあたり１Ａ未満の電流を供給するように構成されることを特徴とする、請求項１または２に記載のイオン源。
4. 前記フィラメント（１３）は、前記イオン化チャンバの軸および／または加速チャンバの軸に平行であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のイオン源。
5. ２つのフィラメント間の最短距離は、フィラメントの直径の４０倍より大きく、好ましくは５０倍であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のイオン源。
6. 前記イオン化チャンバ（３）の最短内周は、定数と、前記イオン化チャンバ（３）内のフィラメント（１３）の数と、フィラメント（１３）の直径と、前記イオン化チャンバ（３）内に存在するガスの原子質量を表すパラメータとの積より大きいことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のイオン源。
7. 前記イオン化チャンバ（３）の最短内周は、前記イオン化チャンバ（３）内のフィラメント（１３）の数と、フィラメント（１３）の直径と、前記イオン化チャンバ（３）内に存在するガスの原子質量の平方根との積の１００倍より大きいことを特徴とする、請求項６に記載のイオン源。
8. 前記フィラメント（１３）は、２０００Ｋより高い融点の金属を含むことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のイオン源。
9. 前記フィラメント（１３）は、０．１〜０．５ｍｍ、好ましくは０．１５〜０．３ｍｍの直径を有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載のイオン源。
10. 前記イオン化チャンバ（３）内でイオン化されるガスの圧力は、０．５〜１００Ｐａ、好ましくは１〜２０Ｐａであることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載のイオン源。
11. 前記イオン化されるガスは、ヘリウムと、５〜２５質量％、好ましくは５〜１５質量％のネオンとを含むことを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のイオン源。

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