JPH01157046A - 真空アークイオン源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は陰極、トリガ電極、陽極ならびに前記陰極、ト
リガ電極及び陽極に電圧を供給する手段を有し、これに
よって陽極と陰極間に前記陰極より生ずる第１プラズマ
が形成され、この第１プラズマの電子が陽極により吸引
され陽極材料を加熱しこれにより陽極より蒸気が放出さ
れ、次いで放出蒸気をイオン化し、陽極より第２プラズ
マが生ずるようにし、これが吸引電極に向かって指向さ
れる如くした真空アークイオン源に関するものである。

イオン源は多くの装置に使用され、例えばインプランテ
ーション装置、アクセレレイター（加速器）、ニュウト
ロン（中性子）管、マス（質量）スペクトロメーター、
等に使用される。

ガス放電イオン源に関しては、真空アークイオン源を用
いるとイオン源と加速領域間のポンピング手段を減少さ
せる可能性を有しておりかつ極めて大なる吸引表面を有
する特性を有している。

従来形態のアークイオン源においては、陽極は電子のコ
レクターであり、陰極は電子とプラズマ（陰極材料より
形成される）のエミッタであった。

電子フラックス（東）に露出される陽極表面を減少させ
ると電子衝撃の増加が生じ、従って加えるエネルギーの
増加が招来する。

陽極と陰極材料、及びアーク電流ならびに露出陽極表面
によって定められるスレショールド値においては、陽極
材料よりプラズマを生ずる発光領域が生ずることとなる
。これらのプラズマの特性は陰極スポットの特性と類似
しているが、（角度、密度、速度の点において）プラズ
マの形態の放出物質のフラックスは陽極の温度によって
制御でき（幾何学的構造、アーク電流、パルスのテンポ
（時間）特性）、この温度は電子及び消費エネルギーに
よって持ち来されるものであり、特に陽極において電子
放出と蒸気のイオン化によって生ずるものである。

一般に言ってアークイオン源の使用時間は短いものに限
定される。陽極スポットを生ずるこの原理を用いて、本
発明はプラズマのアークイオン源の使用時間を増加でき
るものを得ることを目的とする。

本発明ではこの目的を達成するため、真空アークイオン
源に陽極表面をカバーする金属層を供給する手段を設け
、この手段は金属のレザーバを有しさらにこのレザーバ
と陽極表面の間に金属を浸透させる連結部を設けたこと
を特徴とする。

本装置の使用中においては金属は陽極表面で蒸発しかつ
イオン化される。金属はレザーバより連結部を通じて陽
極表面に供給され金属の消耗を補っていく。これによっ
てアークイオン源の使用時間が増大する。

この連結部は金属に対し同じ蒸気圧を得るためには極め
て大なる温度差を生ずる材料で形成するを可とする。

このようにするとプラズマは金属層より発出する金属イ
オンのみによって構成される。

特に陰極材料の蒸着によって汚染されないように浸透性
連結部を配置するを可とする。

陰極材料を陽極の金属に対する湿潤性を阻害しないよう
な材料に選択するを可とする。

前記金属の第１実施例では金属を液状のものとし、レザ
ーバと陽極とを分離する連結部を多くの孔を有する材料
で構成する。このような構成によるときは毛細管現象に
よって液状金属の通過が行われる。この材料は例えばタ
ングステンまたはニッケルのフリットとする。

第２実施例では前記金属を液状としレザーバと陽極表面
を分離する前記連結部を表面拡散によって陽極表面に供
給を行う連続スロットが貫通している構成とする。

２つの群の液状金属を使用できる。これらは例えば周囲
温度において低い蒸気圧を有する液状金属（ガリウム、
セシウム、ガリウム−インジウム合金・・・）とレザー
バを加熱することにより溶融して液状となり低い蒸気圧
を有する金属（錫、インジウム、ビスマス、鉛１１０．
）等である。

他の実施例では陽極を低温度に冷却し、陽極上の金属を
凝縮させる手段を設ける。この実施例は例えば水銀の如
く常温で極めて特徴ある重要な蒸気圧（例えば数１０　
’ｔｏｒｒ）のような金属とする。

この金属は陽極で凝縮し次いで蒸発し、またイオン化す
る。金属が液相である場合アークの電子によってこれが
行われる。

他の実施例では陰極材料を陽極材料に比較してその耐火
性が遥かに少ないものとし、しかも必要な湿潤特性は同
等のものとする。液状金属（または溶融金属）に対する
孔または入力開口を閉塞しないようにするため、陽極上
に析出する陰極材料上に陽極スポットの形成を生ずる如
くの高いエネルギーでイオン源を動作させこの個所に液
状金属が生じないようにする。あるいはこれと反対にこ
のエネルギーをあるスレショールド値より低く抑え固体
陽極材料状に陽極スポットが生ずるようにする。このよ
うな所謂コンディショニングモードによってイオン源の
動作は満足なものとなりその使用時間が延長される。

以下図面により本発明を説明する。

各図中同一部分は同じ参照番号で示しである。

第１図ａは垂直面で切った断面図であり、円形リングの
形の金属陰極１を示しており、その開口２に面する面は
絶縁スクリーン３で保護されている。リングの軸に沿っ
て開口２に面するよう配置され、かつスクリーンを形成
する絶縁ディスク５によって保持されている陽極４は本
発明の１実施例による溶融（液状）金属７を収容するレ
ザーバ（貯槽）６を有している。このレザーバ６の下側
部分は狭められた形状を有しており、これにより小寸法
の外面領域８を形成し、レザーバの溶融状態部分より壁
９によって分離された上述の陽極表面を形成する。

陰極と陽極間のアークの点弧を促進するため、２つの補
助電極１０及び１１間に生ずる放電を利用する。これら
の補助電極１０．１１は、例えばリング形とし、０・１
ｍｍ程度の大きさの溝１２によって互いに分離されてお
り、トリガ電極を形成する。この補助放電はイオン源の
正しい動作のため不可欠のものであり、これは他の形態
、すなわちイオン源の陰極に極めて接近して設けたトリ
ガ陽極ゲートとしても構成できる。

陰極スクリーン３と陽極スクリーン５の機能はそれぞれ
リング１及びレザーバ６の支持部として作用し、また陽
極よりイオン化が行われる空間内に陽極より放出される
微粒子に対するスクリーンを形成しかつ不要なイオンを
放出する陰極及びトリガ電極のシールドとして作用する
。

溶融金属７を陽極表面より分離する壁９は多数の孔１３
を有する材料で構成しこれは１部を拡大して示す第１図
すに示す如くでありこの壁９は水平面に配置されている
。従ってレザーバより陽極表面に毛細管現象が生ずる。

このような陽極表面に対する供給は第１図すに水平面を
拡大して示す部分図に示す如く壁９を横切って設けた連
続スロット１４によっても実現することができる。この
ようにして陽極表面は拡散表面により覆われる。この場
合の陽極材料は溶融金属による湿潤特性により定まる。

本発明の一例においては壁９は例えばタングステンの多
孔材料で構成する。このような多孔フリット材料は毛細
管現象により拡散する材料で覆われ、開口２に対抗して
いる陽極の表面領域８に対し拡散を行うように配置する
。

プラズマ１５及び１６のジェット流はトリガ電極と陰極
により放出されそれぞれ陰極と陽極の間に電子１７の７
ラツクスを生じフリット素子の材料により構成される陽
極の部分を制御可能に加熱しこれは拡散する金属材料と
密接に接合している。

例えば金属元素材料をガリウムとするときはこの材料は
３００°Ｃの温度において水銀柱１ｍｍの蒸気圧を有し
、支持材料として作用するタングステンは４５００°Ｃ
で同じ蒸気圧を有する。

従って陽極の温度を正確に制御すれば金属元素はイオン
化を行ったのちにおいてのみ蒸発し、プラズマ１８のジ
ェット流が陽極表面に直角に放出され、このジェット流
は金属イオンのみで構成される。

レザーバ内の溶融金属の圧力はピストン１９とスプリン
グ２０を有する装置により一定に維持される。

このレザーバにはエキゾースト（排気）管２１を設ける
。なお、これはコックで置き換えることもできる。

図示を省略した加熱系を設は常温では液体状となってい
ない溶融金属を加熱する。

プラズマ源としては多くの構造を使用することができる
。

第２図ａはこのような構造の１例を示し、この中には上
述した基本的モデルと同様な多数のイオン源を設けであ
る。この図面の上側及び下側はそれぞれ線ＡＡ”　にお
いて切ってみた垂直断面図と線ＢＢ’　　より見た水平
断面図を示しこれらにはスクリーン３を有する陰極１と
トリガ電極１０と陽極表面８と支持部５と溶融金属７と
多孔性陽極部分９とがそれぞれ示されている。

第２図すは極く僅かな厚さを有するリング形状とした陽
極の構造を示すものである。同心構造の陽極２２の多重
リングを線ＢＢ’　　より切ってみた平面図上に示す如
く配置することができる。各陽極を囲んで陰極２４及び
そのスクリーン２３ならびにゲート２５もリング形状と
して配置する。線＾八′　によって切ってみた垂直断面
図は第２図ａに示すものと同じである。

第３図の構造においては陽極２６は９０°に配置した平
らな並行六面体の形状とし、これらをスクリーン２７に
よって互いに分離する。陰極２８とこれらを分離するス
クリーン２９並びにトリガ電極３０もＢＢ’面に沿って
切った垂直断面図に示す如（円筒形め母線に沿って配置
する。

第４図は数個の互いに重畳した陽極を有する構造を示し
、これらのおのおの３１は平坦な円筒形状を有している
。陰極３２及びそれらの設けであるスクリーン３３並び
にトリガ電極３４はリング形状としこれらも互いに重ね
合わせて配置しである。多重円筒形の陽極に共通な中央
の垂直柱３５はこれらの円筒に溶融金属を供給する作用
を行い、これは線ＡＡ’　　に沿って切って示す垂直断
面図に示す如くであり、また線Ｂｅ′　に沿って示す水
平断面図に示す如くである。

上述した各図に示した構造はバイプラナ−（双手面）形
であり、すなわち陽極及び陰極がそれぞれ互いに異なっ
た面内にあり陰極及び陽極プラズマは互いに反対方向に
放出されるものである。これと異なった所謂コプラナー
（同一面）の例を第５図に示す。すなわちこの例では双
手面形と同じように陰極は円形のリング３６の形態を有
することができ小寸法としたその陽極４は同じ軸上に設
けることができる。絶縁材料３７は２つの電極間を分離
し、これは数ｋＶないし２ＯｋＶ間に変化する電圧を絶
縁するものである。

この絶縁体は陰極スポットが軸より移動しその中心に設
けられたスクリーン３８によって受止められ、このスク
リーンに設けたオリフィスによって陽極スポットより放
出されるプラズマ１８のみが主としてこれを通過するよ
うにする。

トリガ電極１０．１１は制御用に必要でありこれらは双
平面源と同じく円形とする。

動作上の観点よりみると双手面構造はより容易にスター
トし得る（低い陽極陰極間型圧及びトリガ電流）利点が
あり、これは電子の通路が短くかつ、より直接的である
からである。

本発明は所謂双手面型及び同一平面型の中間の陰極電極
構造をも含むものであり、第６図は半円筒形陰極３９を
有する構造を示し、第７図ａ及びｂは頂部を切断した陰
極４０及び４１を有する構造を示すものである。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは本発明による双手面型溶融金属の真空アーク
イオン源を示す略図、 第１図すは多孔性陽極及びスロット付陽極の部分拡大図
、 第２図ａは同一の素子を多数用いて構成したマルチポイ
ント構造を示す図、 第２図すは陽極をリング形とし多重陰極スポットの装置
を有するリング型構造を示す図、第３図は陰極を円筒形
の母線に沿って配置した円筒形構造を示す図、 第４図は陽極を平らな円筒内に有し陰極をリング形とし
たマルチアニユラ−（多重環）構造を示す図、 第５図は本発明による同一平面型真空アークイオン源を
示す図、 第６図は円筒形陰極を存する構造を示す図、第７図ａ及
びｂは頂部切断型陰極構造を示す図である。 ｌ・・・陰極　　　　　　　３・・・絶縁スクリーン４
・・・陽極　　　　　　　６・・・レザーバ９・・・壁
　　　　　　　　１０．１１・・・補助電極１２・・・
溝 ＦＩＧ、３ ＦＩＧ、４ 手　　続　　補　　正　　書（方式） 昭和６３年１２月２６日 特許庁長官　　　吉　　１）　文　　毅　　殿１、事件
の表示 昭和６３年特許廓第１８１９７０号 ２、発明の名称 真空アークイオン源 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 名　称　　エヌ・べ−・フィリップス・フルーイランペ
ンファプリケン ４、代理人 ｔ、補止の岡谷　（別砒の通りＪ　　　　　　　　　　
　　＼。 １、明細書第１５頁第６〜９行を次の如く訂正する。 「　第２図は本発明による真空アークイオン源の実際に
近い構造の説明図で、 図中理解を助けるため付した記号ａは左半部を示し、こ
の部分はレザーバのマルチポイント構造の例を示し、ま
た説明上すの記号が併記しである右半部は多重陰極スポ
ント構造の例を示す図である。」

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、陰極、トリガ電極、陽極ならびに前記陰極、トリガ
   電極及び陽極に電圧を供給する手段を有し、これによっ
   て陽極と陰極間に前記陰極より生ずる第１プラズマが形
   成され、この第１プラズマの電子が陽極により吸引され
   陽極材料を加熱しこれにより陽極より蒸気が放出され、
   次いで放出蒸気をイオン化し、陽極より第２プラズマが
   生ずるようにし、これが吸引電極に向かって指向される
   如くした真空アークイオン源において、 真空アークイオン源は陽極表面をカバーす る金属層を供給する手段を有しており、この手段は金属
   のレザーバを有し、さらにこのレザーバと陽極表面の間
   に金属を浸透させる連結部を設けたことを特徴とする真
   空アークイオン源。 ２、前記浸透性連結部を金属に対し同じ蒸気圧を得るの
   に極めて大なる温度差を有する材料で構成する請求項１
   記載の真空アークイオン源。 ３、前記浸透性ある連結部を陰極材料の析出によって妨
   害されないように配置したことを特徴とする請求項１ま
   たは２記載の真空アークイオン源。 ４、陰極材料が陽極の金属への湿潤特性を妨害しないよ
   うにした請求項１、２または３記載の真空アークイオン
   源。 ５、前記金属を液状とし前記レザーバと陽極表面を分離
   する連結部を多くの孔を有する材料で形成する請求項１
   ないし４のいずれかに記載の真空アークイオン源。 ６、前記連結部をタングステンまたはニッケルのフリッ
   トとする請求項５記載の真空アークイオン源。 ７、前記金属を液状とし前記レザーバと陽極とを分離す
   る前記連結部を表面拡散によって陽極表面に供給を行い
   うる如く連続したスロットが横切っている如くした請求
   項１ないし４のいずれかに記載の真空アークイオン源。 ８、金属を低い蒸気圧を有し周囲温度において液状とな
   る金属とした請求項５、６または７記載の真空アークイ
   オン源。 ９、前記金属をガリウム、セシウム及び水銀の群のうち
   の元素とした請求項８記載の真空アークイオン源。 １０、レザーバに加熱手段を設け、前記金属を低い蒸気
   圧を有するものとし、かつレザーバを加熱することによ
   り前記金属が溶融して液状となる如くした請求項５、６
   または７記載の真空アークイオン源。 １１、前記金属を錫、インジウム、ビスマス及び鉛によ
   り構成される群のうちの元素とする請求項１０記載の真
   空アークイオン源。