JPH01177364A - 負イオン源 - 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】 （ト）技術分野 本発明は、常温で気体でない物質の負イオンを発生する
負イオン源に関する。

負イオンというのは、中性原子にひとつ、又は複数の電
子が付いた荷電状態である。負イオンになりやすいもの
は、電子親和力の大きいものである。ハロゲン、酸素族
のものが比較的負イオンになりやすい。

しかし、負イオンになるといっても、電解質など溶液の
中での事であって、空気中、または真空中で負イオン状
態にはなりにくい。

イオン打込み装置に於て、高速のイオンを加速して、目
的物に打込むことがある。これは、半導体の電気的特性
を変えるために、主に用いられる。

これは、しかし、全て正イオンである。負イオンの状態
でイオン打ち込みがされ名車はこれまでのところない。

また、二次イオン質量分析器（ＳＩＭＳ）などに於て、
−次イオンに用いられるものは、正イオンが多い。

このように、処理装置、測定装置でイオンが用いられる
時、正イオンが用いられる。

これは、正イオンの方が作りやすいからである。

プラズマ中で、電子と正イオンとに分かれ、負イオンが
存在することは少い。正イオンが簡単に作られるのに反
して、負イオンを真空中で作るのは難しい。

負イオンの用途は現在のところあまり存在しない。しか
し、負イオンが容易に作られないから用途も少ないとい
う事にすぎない、と本発明者は考える。

単に粒子を加速するためであれば正イオンでも負イオン
でもよい。しかし、イオン打込みに於ても、正イオンと
負イオンでは特性が異なるかもしれない。ＳＩＭＳに於
ても、負イオンを用いると、新しい特長が生ずるかもし
れない。

それに、負イオン自体の物性を研究するためにも、容易
にζ負イオンが発生できる、という事が望まれる。

さらに、粒子を加速するという事でも、負イオンである
事が有利になる事もある。タンデム型加速器では、最初
負イオンとして加速し、途中で荷電状態を正イオンに変
換し、さらに加速する。大地側と、正の高電圧電源の間
で２回加速する事ができる。

（イ）従来技術 負イオン発生装置として、従来、スパッタイオン法と、
荷電変換法とがあった。いずれも、負イオンにできる物
質は限られている。

（１）　　スパッタイオン法 たとえばホウ素Ｂの負イオンを得たいとする。

ターゲットに固体のホウ素又はホウ素を含む物質よりな
る板を用いる。そして、Ｃｓイオンを約１０ｋｅＮ’で
ターゲットに当てる。Ｃｓイオンがターゲットに当たる
と同時にＣ８原子のうすい蒸気の膜をターゲットの表面
に形成する。

Ｂがスパッタされてターゲットから飛びだす。

これはａＳの薄い膜を破って出る。

Ｃｓの膜には多量の電子が含まれている。

Ｃ８は原子半径の大きいアルカリ金属であり、ワークフ
ァンクションφが小さく、電子を放出しやすい。ＣＳの
薄い膜を通るときに、一部のホウ素Ｂは電子を奪ってゆ
くことがある。このため、負イオンのＢが得られる。

ただし、負イオンになる効率は極めて低い。

負イオン電流は高々５０μＡ程度である。

実用的には、これの１００倍程変り負イオン電流が得ら
れなければ役に立たない。

スパッタイオン法を改良するものとして、本出願人らに
よる特開昭５９−１１３１７５号（Ｓ５９．６．２９公
開）がある。これはａＳを加熱して蒸気とし、これを電
子で叩いて、一部を負イオンにし、これを加速して、炭
素に当てて、これをスパッタするものである。

（２）荷電変換法 こわは、いったん正イオンを作り、これを負イオンに変
える方法である。

、アルカリ金属ａｓ、　Ｋ、　Ｎａ、　Ｌｉなどを蒸発
させ、アルカリ金属の雲を作っておく。これらは、電子
を放しやすいからである。特にＣ８が良い。

負イオンにしたい物質をまず正イオンにし、１０ｋｅＶ
〜５０ｋｅｖに加速して前述の雲の中を走らせる。正イ
オンに雲の中の電子が付いて、あるものは負イオンにな
る。

この方法で、正イオンのうち、５％程度が負イオンに変
換されるといわれている。しかし、実際には、正イオン
が電子を捕獲する確率が小さくて、大きな負イオン電流
が得られない。

Ｃ５電子が蒸発しているのであるから、かなりの密度の
原子雲を作る事ができる。しかも、ａＳ原子の原子半径
は大きいので、正イオンの衝突断面積が大きい。さらに
、Ｃ８はアルカリ金属でも大きい方であるから、イオン
化のためのエネルギーが小さい。

とはいうものの、Ｃ８電子のどれでもよいというのでは
なく、最外殻の電子でなければこれを引き出すことはで
きない。

そうすると、正イオンに対するａＳ原子の衝突断面積が
大きくても、最外殻電子についての衝突断面積は必ずし
も大きくない。

さらに、小さいとはいえ、電子ひとつをとり出すには、
イオン化エネルギーが必要である。

正イオンはクーロン力で電子をひきつける事ができるが
、ひきつけてしまうと、中性化し、それ以上にクーロン
力を生ずる事ができない。

このため、余分の電子を捕獲して負イオンになる、とい
う事が困難である。

（３）前記２つの方法は、常温で固体である物質につい
て負イオンを発生する方法であった。

常温で気体であるものを負イオン化する装置が提案され
ている。これはハロゲン、又は酸素ガスを負イオン化す
るものである。

（ａ）特開昭６２−１２２０３９号（Ｓ５２．６．３公
開）（ｂ）　　特開昭６２−１２２０４０号（Ｓ　６２
．６．３．公開）これはハロゲンＩ２、Ｃ１２、Ｆ２、
酸素０２などの、もともと負イオンになりゃすいガスを
負イオン化するものである。

分子状態であるので、紫外光を当ててこれを励起し原子
状態にする。この原子を、電子銃の前に導く。

電子銃は低エネルギーの電子を発生する。電子銃の前方
は低エネルギー電子雲が存在しているので、原子がここ
を通ると、電子を引きつけて、負イオンに変化する。

この方法は、ハロゲンの負イオンＦ″′％Ｃｆ、Ｉ”−
と酸素の負イオン０−を作る方法である。紫外光は、分
子を原子にするために必要である。

（ロ）発明が解決すべき問題点 常温で気体でない物質を負イオン化する方法として、従
来はスパッタイオン法と荷電変換法とがあった。いずれ
も、Ｃｓの原子雲を使い、Ｃ８の最外殻電子を対象とな
る物質の原子に与えるものであった。いずれも、負イオ
ン化の効率が低くて、実用的には問題がある。

００　　目　　　　的 汎用性の高い、負イオン化効率のよりすぐれた負イオン
源装置を提供することが本発明の目的である。

（ホ）構　成 本発明に於ては、電子を供給するものとしては熱電子発
生装置を用いる。つまり電子を直接に空間に分布させる
のである。熱電子を発生するのはフィラメントである。

これは電子銃と同じであるが、電子銃のように、引出し
電極を使って、電子を積極的に加速する必要がない。

そして、固体材料を活性な原子状態にするために、オー
ブンヒータを用いて、これを蒸発又は昇華させる。蒸発
又は昇華して原子状態となったものが電子雲の中を通る
ことにより負イオンとなるのである。

第１図は本発明の負イオン源の断面図を示す。

イオン源本体１は真空に排気できる容器である。

この中に電子雲供給器２が設けられる。さらに、オーブ
ン３も設けられる。オーブン３には、オーブンヒータ４
が巻き回しである。

オーブン３の中には、負イオンにしたいと思われるイオ
ン材料物質５の固体を入れる。

オーブンと一夕４のリード線は、フィードスルー１１を
経て外部にとり出されている。

オーブン３は耐熱性のある材料で作られる。イオン材料
物質５の融点以上に加熱するが、これに耐えなければな
らないからである。

オーブンヒータ４は抵抗加熱ヒータである。Ｔａ１Ｗ１
などのヒータである。オーブン３の先端には蒸気発生口
１２が開口している。

イオン源本体１には真空排気孔７があり、真空排気装置
１３によって排気できるようになっている。

電子雲供給器２はフィラメント１４に通電し、フィラメ
ントから熱電子を発生するものである。

電流はリード線１７から供給される。引出し電極は不要
である。電子はエネルギーの低い方がよいからである。

１０ｅＶ以下であることが望ましい。

フィラメント１４から発生した電子は熱運動するが、特
定方向νて加速されていないので、フィラメント１４の
近傍に、密度の高い電子雲１５を形成する。

イオン源本体１は開口８を有するが、これと、フィラメ
ント１４、オーブン３の蒸気発生口１２とは同一直線上
に並んでいる。

イオン源本体は、たとえばステンレス製とすることがで
きる。

イオン源本体１の開口８の前方には、穴１６の穿たれた
引出し電極６が設けられる。これはイオン源本体に対し
て正の電圧が与えられている。負イオンを外部に引出す
ための電極であ、る。

これら装置の全体がさらに容器（図示せず）によって囲
まれ、この容器も真空排気されている。

ａ）作　用 オープン３の中に、負イオン化しようとする物質の固体
を入れる。これは、Ａｄ、　Ａｓ、Ｂ、　Ｂｉ、　ｃ、
、、。

Ｆｅ、　Ｇａ、　Ｇｅ、　Ｍｇ、　Ｐ、　ｓｂ、　’ｒ
ｅ、　ｚｎなとである。あまりに融点の高いものは不可
であるが、たいていの物質なら、本発明を適用すること
ができる。

オープンを閉じ、外容器も閉じる。内部を真空）ζ排気
する。

オーブンヒータ４に通電し、イオン材料物質５を加熱す
る。そうするとイオン材料物質５が蒸発又は昇華する。

蒸発、昇華した材料は原子状態で蒸気発生口１２から噴
出する。

電子雲供給器２に於てはフィラメント１４に通電し、こ
れを加熱している。熱電子がフィラメント表面から出て
、電子の濃密な雲がこの近傍に形成される。電子雲１５
はもちろん安定な状態ではない。電子は質量が小さいの
で、熱運動）二より容易に拡散する。

しかし、電子は次々と供給されるから、定常的に電子雲
１５が存在することになる。

しかも、電子エネルギーは１０ｅＶ以下とするので、運
動エネルギーが小さく、拡散の速度は小さい。

１０ｅ’／以下にするのは、電子雲の拡散を防ぐだけで
はない。このように低エネルギーである方が、中性原子
が電子を捕獲しやすいあである。

イオン源本体１は最初は、かなり高真空１０　〜ｌＱ　
　Ｔｏｒｒに引くが、原子の蒸発が起きている時は、１
０〜１０　　Ｔｏｒｒの低い真空度になっている。

オープン３から飛び出した中性の原子は、電子雲１５の
中を通る。この時に、中性原子の幾分かは電子を獲得し
て負イオンとなる。

負イオンとなったものは、引出し電極６に引寄せられて
外部へ出てゆく。引出し電圧は１〜３０ｋＶ程度である
。

（ホ）効　果 （１）常温で固体である物質の多くを負イオンにする事
ができる。これは材料を真空中で蒸発させて原子状態に
し、電子雲の中を通すようにしているからである。

スパッタ法の場合は、材料によってスパッタされやすい
ものやされにくいものがあるし、スパッタされて原子状
態になるとは限らない。

（２）負イオン電流が多量に得られる。遅い蒸発原子が
濃密な電子雲の中を通過する事により、負イオン化する
からである。電子の衝突断面積が大きいという事だけで
はない。原子の速度が遅いから、これによって電子が弾
きとばされず、原子によって捕獲されやすいからである
。

最も良いものは、電子の軸方向速度と、蒸発原子の軸方
向速度とをほぼ等しくする事である。

対極する電極に高周波電界をかけるプラズマ発生装置で
はこのような事はできない。かならず電子温度の方が高
くなるからである。

しかし、本発明の場合、蒸発原子の速度はヒータ４の電
流で制御し、電子速度は、フィラメント電流で制御でき
る。２つの制御装置があるので、電子、原子の熱運動の
速度をほぼ等しくする事ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の負イオン源の縦断面図。 １・・・・・・・・・・・・イオン源本体２・・・・・
・・・・・・・電子雲供給器３・・・・・・・・・・・
・オープン ４・・・・・・・・・・・・オーブンヒータ５・・・・
・・・・・・・・イオン材料物質６・・・・・・・・・
・・・引出し電極７・・・・・・・・・・・・真空排気
孔８・・・・・・・・・・・・開　　　口１２・・・・
・・・・・・・・蒸気発生口１３・・・・・・・・・・
・・真空排気装置１４・・・・・・・・・・・・フィラ
メント１５・・・・・・・・・・・・電　子　雲発明者
　岩本英司

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 負イオンにすべき材料物質５を収容し一方に蒸気発生口
   １２が開口しているオーブン３と、オーブン３の周囲に
   あつてイオン材料物質５を加熱し蒸発又は昇華させるオ
   ーブンヒータ４と、オーブン３の蒸気発生口１２の前方
   に設けられ熱電子を発生し電子雲１５を形成する電子雲
   供給器２と、オーブン３、オーブンヒータ４及び電子雲
   供給器２を内部に収容し、負イオンを取出すべき開口８
   を有するイオン源本体１と、イオン源本体１の内部を真
   空に引く真空排気装置１３とよりなる事を特徴とする負
   イオン源。