JP5536981B2 - 低エネルギー/高電流リボン・ビーム注入装置におけるビーム中和の改善 - Google Patents
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Description
Q = J/(2eU/M)1/2 (1)
(i)電離衝突:より高いエネルギーでは、電子を発生させる最も重要な反応は、真空環境内で、高速ビーム・イオンI+と残留分子若しくは原子R0との間の相互作用によって、荷電した残留ガス分子R+と、さらに自由電子とを生成するものである:
I++R0 > I++R++電子 (2)
R0の電子結合を切断するために必要なエネルギーは、ビーム自体からもたらされており、したがって、脱出の確率を小さくすることのできる、ビームの電位井戸内での低エネルギー電子の発生を可能にしている。エネルギー5keVでホウ素イオンによって誘発されるこのタイプの反応の断面積は、約10−16cm2であるが、この断面積は、イオンのエネルギーがゼロへと減少するにつれて劇的に縮小する。導入された電子は、エネルギー移動及び熱化を引き起こす可能性のある衝突を伴う様々な軌道で、ビームの周り及びビーム内を旋回する。電子エネルギー分布は、ビーム井戸の深さよりも大きいエネルギーを有する該分布内の電子が脱出して、急速にマクスウェル分布となる。数keV未満のビーム・エネルギーの場合、電子を生成する断面積が、空間電荷力が増大していくのと同時にゼロへと縮小するので、この電離プロセスは、次第に有用ではなくなる。
(ii)電荷交換衝突:第2の電子生成プロセスは、電荷を交換することによって、ただし自由電子を生成せずに残留ガス分子若しくは原子R0から電子を獲得する、高速ビーム・イオンI+に関わるものである:
I++R0 > I0+R+
ゆえに、形成された低速の荷電イオンR+に加えて、高速の中性粒子I0の集団が存在しており、この集団は、程度の差はあるものの、それらの高速の親イオンと同一の方向に沿って進み続ける。これらのタイプ(ii)の衝突の断面積は、タイプ(i)の断面積よりもはるかに大きく、測定された最低エネルギーまで大きいままである。
イオン・ビームが磁場を通過するときには、低いエネルギーでは中和がさらに困難となる。タイプIの反応[式(2)]の断面積が小さくなるだけでなく、利用可能となる中和作用のある電子は、いずれも磁力線に従わざるをえない。この磁力線では、電子は、磁場の方向に沿って高い移動性を示すが、直角方向の移動性は、ゼロに近い。その結果、すぐそばのドリフト領域から低エネルギー電子を導入することによって磁場内の空間電荷を中和することは、非実用的となる。
1.局所的グラウンドとイオン・ビームとの間に低インピーダンス結合経路を作り出す、適切なプラズマ源
2.イオン電流が電子電流に等しくなければならないというプラズマ源の限界を克服する、補助電子源
3.イオン・ビーム電位井戸への電子の輸送
4.イオン・ビーム電位井戸内での電子の捕獲
5.イオン・ビームの他の部分への電子の分配
6.捕獲された電子の保存
様々なプラズマ発生装置の設計を選択できることが当業者には認識されるが、好ましい実施例では、適切なプラズマ発生装置としてヘリコン放電の幾何学が選択されている。このタイプの放電の詳細は、Noyes Publications出版、Oleg A. Popov編集の「High Density Plasma Sources」と題する本の1〜75ページで、F.F.Chenによって論じられている。ヘリコン幾何学を魅力あるものにする特徴は、低圧操作、高いイオン対密度、閉じ込めチャネルへの有用なプラズマ入射、放電管内に内部電極が存在しないこと、及び制御可能な電子エネルギー分布である。
内部フィラメントのない、ヘリコンなどの封止プラズマ源では、電子の生成は、イオン生成速度に等しい。抽出速度は、出口開孔面積と低速のイオン・スピードとによって制限される。ただし、イオン・ビームへのブリッジ結合が確立された後には、銅線の動作に類似した方式で、より高い電子電流を局所的グラウンドとイオン・ビームとの間で運ぶことができる。直熱タングステン若しくはモリブデン・フィラメント、傍熱カソード、又は加熱されたLaB6を含め、様々な補助供給源を使用して電子電流の流れを増大させることができることが、当業者には認識されよう。
電子が磁力線に沿って進むので、プラズマ輸送領域内では最小の横磁場が望ましい。かなりの横成分が存在する場合、電子は、輸送領域の壁のところで失われることになる。この要件を満たすために、アルゴン又は他の適切なプラズマが、偏向磁気双極子の鋼鉄柱の下面を貫く穴を通じて誘導される。そのような穴の内部は、ビーム偏向双極子磁束B0が非常に大きいとしても、低磁場領域である。この磁束は、鋼鉄内を通って穴の周りを通過しており、その際、磁場は、穴によって作り出された開口部を横切るのを避ける傾向にあり、周囲の高透磁率の鋼鉄内を通って穴の周りを通過する。穴の中では残留磁束B0/μがゼロに近い。ここで、B0は、イオン・ビームを偏向させるために必要な磁束の強度に近く、μは、鋼鉄の比透磁率であり、通常約2000である。さらなるミューメタル・シールドを含めることによって磁場をほぼゼロへと低減できることが、当業者には認識されよう。このような非磁性領域は、特にソレノイド場が鋼鉄を通り穴に沿って確立される場合に、中和されたプラズマを、横磁場からの干渉なしにその中に誘導できるチャネルを提供する。そのような非磁性領域は、また、横磁場からの干渉なしに小径のホロー・カソード源を操作できる領域も提供する。穴の軸に沿った集中を保証するために、密に巻かれた導電スパイラルを管の内側に沿って組み込むことによって、ソレノイド磁場を導入することができる。
本開示で対処される重要な1つの問題は、電子をイオン・ビームの体積内で移動させ、それらの電子が導入されるスポットの近くに電子を集中させない方法である。この必要な動きは、B×gradBに結び付けられた磁場領域の縁部の周りのE×B電子ドリフトと、曲率ドリフトとを用いて達成される。これらのプロセスの詳細は、1983年にPlenum Pressによって出版されたF.F.Chen著の「Plasma Physics and Controlled Fusion」と題する本の23〜30ページで論じられている。
中和作用のある電子が適所に移動された後には、それらの電子が容易に脱出しないことが重要である。中和作用のある電子の損失を避けることが重要である。この重要性は、1つには、イオン源の不安定性に起因する。中和作用のある電子の即時損失を防ぐ方法がない場合、イオン源出力強度が低下すると、即座に空間電荷中和を失うことになる。実際には、損失は急速に起こるが、中和の再確立にはより長い時間がかかり、回復時間が通常30マイクロ秒の大きさであることが報告されている。
強い電子反射を生み出すために磁極に埋め込まれた永久磁石の構成を使用する、磁束がそこに集中する傾向にある偏向磁石の磁極上への局所的な集中点の形成。その効果は、局所的な磁束集中と、北極光(Aurora Borealis)内の電子軌道に類似した電子捕獲とをもたらす。
また、電子の直接使用に基づいて中和作用のある電子を提供する、他の一実施例について説明する。電子は、偏向磁石の1つの極上に配置され、かつイオン・ビームの下方に配置された、大面積電界放出カソードの形態に製作された電界エミッタによって発生させることができる。ただし、プラズマディスプレイ・テレビジョン管で使用される封止カソードとは異なり、ここに開示のカソードは、イオン・ビーム・スパッタリングによってさらに鋭利にされた、小径のステンレス鋼製皮下注射器チュービング(hypodermic tubing)の比較的長い部分から形成されるという、独特の特徴を有する[この構成の理由は、ホウ素ビームとBF2イオンとの生成に必要な、イオン源でのBF3ガスの使用によって生じるフッ素が、注入装置の真空系内に常に存在することである。その効果は、低電圧(約10ボルト)で電界放出をもたらすために必要な鋭い先端が、腐食によって急速に損傷されることである]。アルゴン又は他の適切なガスの小さな流れが、エミッタをフッ化物の腐食効果から保護する。固体カソードではなく長い管を使用すると、信頼できる高流量インピーダンスをガス流ラインに導入できるようになる。
Claims (37)
- 磁場によって偏向されるイオン・ビームの空間電荷を中和するために電子を追加する方法であって、次のステップ:
前記磁場の外部でプラズマを発生させるステップと、
前記磁場の境界を画定する、磁極の表面上に配置された複数のプラズマ放出領域から、前記磁場の領域にプラズマを導入するステップと、
前記放出されたプラズマを、前記ビームの経路に沿った複数の位置で前記イオン・ビームと結び付くように配置するステップと
を含む方法において、
前記放出されたプラズマが遠隔発生装置によって生成され、また
前記遠隔発生装置が、実質的に磁場フリーのチャネルを通じて前記磁極の表面に連結される方法。 - 磁場によって偏向されるイオン・ビームの空間電荷を中和するために電子を追加する方法であって、次のステップ:
前記磁場の外部でプラズマを発生させるステップと、
前記磁場の境界を画定する、磁極の表面上に配置された複数のプラズマ放出領域から、前記磁場の領域にプラズマを導入するステップと、
前記放出されたプラズマを、前記ビームの経路に沿った複数の位置で前記イオン・ビームと結び付くように配置するステップと
を含む方法において、
前記放出されたプラズマが遠隔発生装置によって生成され、また
前記遠隔発生装置が、実質的に横磁場フリーのチャネルを通じて前記磁極の表面に連結される方法。 - 磁場によって偏向されるイオン・ビームの空間電荷を中和するために電子を追加する方法であって、次のステップ:
前記磁場の外部でプラズマを発生させるステップと、
前記磁場の境界を画定する、磁極の表面上に配置された複数のプラズマ放出領域から、前記磁場の領域にプラズマを導入するステップと、
前記放出されたプラズマを、前記ビームの経路に沿った複数の位置で前記イオン・ビームと結び付くように配置するステップと
を含む方法において、
前記放出されたプラズマに電子を導入するステップをさらに含む方法。 - 磁場によって偏向されるイオン・ビームの空間電荷を中和するために電子を追加する方法であって、次のステップ:
前記磁場の外部でプラズマを発生させるステップと、
前記磁場の境界を画定する、磁極の表面上に配置された複数のプラズマ放出領域から、前記磁場の領域にプラズマを導入するステップと、
前記放出されたプラズマを、前記ビームの経路に沿った複数の位置で前記イオン・ビームと結び付くように配置するステップと
を含む方法において、
前記ビーム経路に電荷中性原子若しくは分子を導入するステップをさらに含む方法。 - 磁場によって偏向されるイオン・ビームの空間電荷を中和するために電子を追加する方法であって、次のステップ:
前記磁場の外部でプラズマを発生させるステップと、
前記磁場の境界を画定する、磁極の表面上に配置された複数のプラズマ放出領域から、前記磁場の領域にプラズマを導入するステップと、
前記放出されたプラズマを、前記ビームの経路に沿った複数の位置で前記イオン・ビームと結び付くように配置するステップと
を含む方法において、
前記導入されたプラズマの一部として前記ビーム経路に電荷中性原子若しくは分子を導入するステップをさらに含む方法。 - 磁場によって偏向されるイオン・ビームの空間電荷を中和するために電子を追加する方法であって、次のステップ:
前記磁場の外部でプラズマを発生させるステップと、
前記磁場の境界を画定する、磁極の表面上に配置された複数のプラズマ放出領域から、前記磁場の領域にプラズマを導入するステップと、
前記放出されたプラズマを、前記ビームの経路に沿った複数の位置で前記イオン・ビームと結び付くように配置するステップと
を含む方法において、
前記ビーム経路に、陽電子親和力を有する原子若しくは分子を導入するステップをさらに含む方法。 - 磁場によって偏向されるイオン・ビームの空間電荷を中和するために電子を追加する方法であって、次のステップ:
前記磁場の外部でプラズマを発生させるステップと、
前記磁場の境界を画定する、磁極の表面上に配置された複数のプラズマ放出領域から、前記磁場の領域にプラズマを導入するステップと、
前記放出されたプラズマを、前記ビームの経路に沿った複数の位置で前記イオン・ビームと結び付くように配置するステップと
を含む方法において、
前記イオン・ビーム内に存在する電子を、磁力線をまたいで移動させる適切な電場を、前記磁場内に追加するステップをさらに含む方法。 - 磁場によって偏向されるイオン・ビームの空間電荷を中和するために電子を追加する方法であって、次のステップ:
前記磁場の外部でプラズマを発生させるステップと、
前記磁場の境界を画定する、磁極の表面上に配置された複数のプラズマ放出領域から、前記磁場の領域にプラズマを導入するステップと、
前記放出されたプラズマを、前記ビームの経路に沿った複数の位置で前記イオン・ビームと結び付くように配置するステップと
を含む方法において、
捕獲された電子の損失を防ぐためにバリアを追加するステップをさらに含む方法。 - 前記少なくとも1つの磁極の表面の近くで磁場の集中を誘発するために、前記磁極の少なくとも1つの中に永久磁石要素を埋め込むステップをさらに含む、請求項8に記載の方法。
- 前記バリアが静電バリアである、請求項8に記載の方法。
- 磁場内を進むイオン・ビームの空間電荷を中和するために電子を追加する装置であって、次の構成要素:
中央平面の周りに対称に配置されたS磁極とN磁極との間に生成される、前記イオン・ビームを偏向させる直流磁場と、
前記磁場の外部に配置されたプラズマ発生装置と、
前記イオン・ビームの飛行経路に沿ってプラズマを放出する、前記磁極の少なくとも1つの表面に配置された複数のプラズマ・エミッタと
を含む装置において、
前記複数のプラズマ・エミッタが、正確に前記磁極の1つの上に配置される装置。 - 磁場内を進むイオン・ビームの空間電荷を中和するために電子を追加する装置であって、次の構成要素:
中央平面の周りに対称に配置されたS磁極とN磁極との間に生成される、前記イオン・ビームを偏向させる直流磁場と、
前記磁場の外部に配置されたプラズマ発生装置と、
前記イオン・ビームの飛行経路に沿ってプラズマを放出する、前記磁極の少なくとも1つの表面に配置された複数のプラズマ・エミッタと
を含む装置において、
前記飛行経路が、前記N磁極及びS磁極上に投影された前記イオン・ビームの面積を含む装置。 - 磁場内を進むイオン・ビームの空間電荷を中和するために電子を追加する装置であって、次の構成要素:
中央平面の周りに対称に配置されたS磁極とN磁極との間に生成される、前記イオン・ビームを偏向させる直流磁場と、
前記磁場の外部に配置されたプラズマ発生装置と、
前記イオン・ビームの飛行経路に沿ってプラズマを放出する、前記磁極の少なくとも1つの表面に配置された複数のプラズマ・エミッタと
を含む装置において、
実質的に磁場フリーの領域が、前記プラズマを前記磁極の前記表面に配置された前記プラズマ・エミッタへと移動させる装置。 - 前記実質的に磁場フリーの領域が円筒状の穴である、請求項13に記載の装置。
- 導電ワイヤ・スパイラルをさらに含む、請求項14に記載の装置。
- 前記円筒状の穴の中心軸にほぼ沿って配置された、均一な直径のワイヤをさらに含む、請求項15に記載の装置。
- 前記ワイヤが絶縁されており、前記ワイヤに電圧が印加される、請求項16に記載の装置。
- 前記ワイヤ・スパイラルが、均一なピッチの導電スパイラルを含む、請求項15に記載の装置。
- 前記ワイヤ・スパイラルが、不均一なピッチの導電スパイラルを含む、請求項15に記載の装置。
- 磁場内を進むイオン・ビームの空間電荷を中和するために電子を追加する装置であって、次の構成要素:
中央平面の周りに対称に配置されたS磁極とN磁極との間に生成される、前記イオン・ビームを偏向させる直流磁場と、
前記磁場の外部に配置されたプラズマ発生装置と、
前記イオン・ビームの飛行経路に沿ってプラズマを放出する、前記磁極の少なくとも1つの表面に配置された複数のプラズマ・エミッタと
を含む装置において、
捕獲された電子の損失を防ぐためにバリアをさらに含む装置。 - 前記磁極間に存在する磁場に対してほぼ直角を成す電場をさらに含む、請求項11、12、13および20のいずれか一項に記載の装置。
- 前記少なくとも1つの磁極の表面の近くで磁場の集中を誘発するために、前記磁極の少なくとも1つの中に埋め込まれた永久磁石要素をさらに含む、請求項20に記載の装置。
- 前記バリアが静電バリアを含む、請求項20に記載の装置。
- 磁場内を進むイオン・ビームの空間電荷を中和するために電子を追加する装置であって、次の構成要素:
中央平面の周りに対称に配置されたS磁極とN磁極との間に生成される、前記イオン・ビームを偏向させる直流磁場と、
前記磁場の外部に配置された2次電子発生装置と、
前記イオン・ビームの飛行経路に沿って2次電子を放出する、前記磁極の少なくとも1つの表面に配置された複数の2次電子エミッタと
を含む装置において、
前記複数の2次電子エミッタが、正確に前記磁極の1つの上に配置される装置。 - 磁場内を進むイオン・ビームの空間電荷を中和するために電子を追加する装置であって、次の構成要素:
中央平面の周りに対称に配置されたS磁極とN磁極との間に生成される、前記イオン・ビームを偏向させる直流磁場と、
前記磁場の外部に配置された2次電子発生装置と、
前記イオン・ビームの飛行経路に沿って2次電子を放出する、前記磁極の少なくとも1つの表面に配置された複数の2次電子エミッタと
を含む装置において、
前記飛行経路が、前記N磁極及びS磁極上に投影された前記イオン・ビームの面積を含む装置。 - 磁場内を進むイオン・ビームの空間電荷を中和するために電子を追加する装置であって、次の構成要素:
中央平面の周りに対称に配置されたS磁極とN磁極との間に生成される、前記イオン・ビームを偏向させる直流磁場と、
前記磁場の外部に配置された2次電子発生装置と、
前記イオン・ビームの飛行経路に沿って2次電子を放出する、前記磁極の少なくとも1つの表面に配置された複数の2次電子エミッタと
を含む装置において、
実質的に磁場フリーの領域が、電子を前記磁極の前記表面に配置された前記2次電子エミッタへと移動させる装置。 - 前記実質的に磁場フリーの領域が円筒状の穴である、請求項26に記載の装置。
- 導電ワイヤ・スパイラルをさらに含む、請求項26に記載の装置。
- 前記円筒状の穴のほぼ中心軸に沿って配置された、均一な直径のワイヤをさらに含む、請求項28に記載の装置。
- 前記ワイヤが絶縁されており、前記ワイヤに電圧が印加される、請求項29に記載の装置。
- 前記ワイヤ・スパイラルが、均一なピッチの導電スパイラルを含む、請求項28に記載の装置。
- 前記ワイヤ・スパイラルが、不均一なピッチの導電スパイラルを含む、請求項28に記載の装置。
- 磁場内を進むイオン・ビームの空間電荷を中和するために電子を追加する装置であって、次の構成要素:
中央平面の周りに対称に配置されたS磁極とN磁極との間に生成される、前記イオン・ビームを偏向させる直流磁場と、
前記磁場の外部に配置された2次電子発生装置と、
前記イオン・ビームの飛行経路に沿って2次電子を放出する、前記磁極の少なくとも1つの表面に配置された複数の2次電子エミッタと
を含む装置において、
捕獲された電子の損失を防ぐためにバリアをさらに含む装置。 - 前記磁極間に存在する磁場に対してほぼ直角を成す電場をさらに含む、請求項24、25、26および33のいずれか一項に記載の装置。
- 前記少なくとも1つの磁極の表面の近くで磁場の集中を誘発するために、前記磁極の少なくとも1つの中に埋め込まれた永久磁石要素をさらに含む、請求項33に記載の装置。
- 前記磁極の表面の近くで磁場の集中を誘発するために、前記磁極面をディンプル加工するステップをさらに含む、請求項33に記載の装置。
- 前記バリアが静電バリアを含む、請求項33に記載の装置。
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