JPH01225042A - 負イオン発生装置 - Google Patents

負イオン発生装置

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JPH01225042A
JPH01225042A JP63047383A JP4738388A JPH01225042A JP H01225042 A JPH01225042 A JP H01225042A JP 63047383 A JP63047383 A JP 63047383A JP 4738388 A JP4738388 A JP 4738388A JP H01225042 A JPH01225042 A JP H01225042A
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negative ion
plasma
negative
ion generator
microwave power
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Keimei Kojima
啓明 小島
Tomoe Kurosawa
黒沢 巴
Yoshimi Hakamata
袴田 好美
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/10Nuclear fusion reactors

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  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は気体放電を利用した負イオン発生装置に係り、
特に核融合プラズマ追加熱用中性粒子ビーム入射装置な
どのように多量の負イオンを必要とする装置に好適な負
イオン発生装置に関する。
〔従来の技術〕
この種の気体放電を用いた水素負イオン発生装置として
は、「レビュー オブ サイエンティフィック インス
トラメンテーション」57巻 3号1986年(Rev
、  Sci、  Instrum、 、  Vol、
  57+No、 3 、 March 1986)の
第321頁から第324頁に記載されたものがある。こ
の装置は、第1の熱陰極からの直流放電によって放出さ
れた高速電子を用いて気体を電離・励起してプラズマを
生成し、更に第2の熱陰極からの直流放電によって励起
状態の粒子に電子を付加して負イオンを生成するもので
ある。
しかしながら、熱陰極放電は高エネ、ルギー電子の放出
効率が悪いので、供給電力に対して負イオン生成効率が
悪く、従って多量の負イオンを生成するためには熱陰極
への供給電力を大きくしなければならず、熱陰極の発熱
量が多くなるので、該熱陰極周辺の構成部品は耐熱性を
必要として複雑になり、また電子に対して負イオンの生
成率が低いと引出し電極群に流れる電子電流が大きくな
って大容量の引出し電源が必要となる。更に、熱陰極は
フィラメント交換が必要なことがらメンテナンス性が悪
いという問題があった。
また、特開昭61−239546号公報には、熱陰極を
用いることなく、気体にマイクロ波電力と磁界を作用さ
せて電子サイクロトロン共鳴によってプラズマを生成し
、このプラズマから負イオンを抽出する負イオン発生装
置が記載されているが、多量の負イオンを発生するには
不向きであった。
〔発明が解決しようとする課題〕
従って本発明の目的は、負イオン生成効率を高めて低電
力で多量の負イオンを発生することができ、しかもメン
テナンス性のよい負イオン発生装置を提供することにあ
る。
〔課題を解決するための手段〕
本発明はこの目的を達成するために、容器内の気体を電
離・励起してプラズマを生成するプラズマ生成手段と、
励起状態の粒子に電子を作用させて負イオンを生成する
熱陰極を有する負イオン生成手段と、容器から負イオン
を引出す引出し電極群とを備えた負イオン発生装置にお
いて、前記プラズマ生成手段に、前記容器中に電子サイ
クロトロン共鳴領域を生成するために、マイクロ波電力
を供給するマイクロ波供給手段と磁界を作用させる励磁
手段を設けたことを特徴とする。
〔作用〕
磁界とマイクロ波電力を用いて電子サイクロトロン共鳴
により気体を電離・励起してプラズマを生成すると、熱
陰極放電に比較して電子温度・密度を高くすることがで
きるために、負イオン生成に必要な励起状態の粒子を効
率良く生成することができる。そして熱陰極はこの励起
状態の粒子に付着効率の高いエネルギーの電子を供給し
て、電子に対して高い比率で多量の負イオンを効率良く
生成する。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
マイクロ波発振器1.ダミーロード2.方向性結合器3
.スタブチューナ4および導波管5から成るマイクロ波
電力供給回路は、2.45GHzのマイクロ波電力をマ
イクロ波透過窓6を介してプラズマ生成室7に供給する
。このプラズマ生成室7を形成する金属の真空容器9の
周囲にはこのプラズマ生成室7内に電子サイクロトロン
共鳴のための磁界を生成する永久磁石8が設けられる。
プラズマ生成室7は前記マイクロ波電力供給側からボー
ン状に拡がって形成され、その先は前記真空容器9内に
形成された負イオン生成室14に連通ずる。この負イオ
ン生成室14と前記プラズマ生成室7の間には、前記マ
イクロ波の波長よりも目の細かいメツシュで構成された
マイクロ波電力遮へいメツシュ11が配置され、マイク
ロ波電力がプラズマ生成室7から負イオン生成室14に
伝播するのを防止している。負イオン生成室14には、
前記マイクロ波電力遮へいメツシュ11の内側に隣接し
て棒状永久磁石群12を配置して磁気フィルタを生成す
る。この棒状永久磁石群12は、幅方向に着磁された複
数の棒状永久磁石を間隙をおいて並設した(紙面と直角
方向に伸びている)もので、プラズマ生成室7から流入
する高速電子を抑制する。そして熱電子放出可能なタン
グステン線などの熱陰極13は前記棒状永久磁石群12
の間隙内に並べて架設される(紙面と直角方向に伸びて
いる)。この熱陰極13は、前記プラズマ室7から拡散
してくる励起状態の粒子と衝突してこれに付着する確率
が高く負イオンを生成するのに適したエネルギーをもっ
た熱電子を放出する。このために、熱陰極13は周囲の
空間電位に対するバイアス電圧が与えられており、しか
も電子のエネルギー幅を小さくするために電子放出時の
該熱陰極13の両端の電位差が2v程度以下となるよう
な長さに分割して並設される。
負イオン生成室14を形成する真空容器9の周囲には、
第2図に示すように、永久磁石群10を配置しマルチポ
ール磁界を生成して負イオンを閉し込める。
加速電極、減速電極および接地電極から成るイオン引出
し電極群15はイオン生成室14の端に設けられ、該イ
オン生成室14内に閉し込められた負イオンを引出す。
以上の構成において、プラズマ生成室7に原料となる気
体を供給し更にマイクロ波電力を供給すると、永久磁石
8が作る磁界との相互作用(電子ザイクロトロン共鳴)
で気体が電離・励起されてプラズマが生成される。マイ
クロ波は電子に直接作用してこれに連続的にエネルギー
を注入できるのでプラズマ生成室7内の電子温度・密度
を熱陰極放電に比較して高くでき、負イオン生成に必要
な励起状態の粒子を効率良く生成することができる。こ
のプラズマ生成室7からマイクロ波電力遮へいメツシュ
11を通して負イオン生成室14内に拡散して(る励起
状態の粒子には、熱陰極13から放出された電子が衝突
、付着して負イオンが効率良く生成される。そしてこの
負イオンは永久磁石群10で生成したマルチポール磁界
内に閉じ込められ、引出し電極群15によって引出され
る。
このようにして負イオン生成室14で生成される負イオ
ンの生成効率向上を第3図および第4図を参照して説明
する。
第3図は負イオン発生効率測定のための装置を示してお
り、負イオン生成室14から引出し電極群15によって
引出される粒子がもつ負電荷による引出し電流は■−で
示される。この引出し電流I−は、ファラデーカップ入
口に加えられた偏向電界Bによって電子電流1.と負イ
オン電流■、−に分離して測定される。前記偏向磁界の
強度は0.06Tである。
プラズマ生成室7に0.5Paの圧力の水素ガスト40
0 Wのマイクロ波電力を供給して水素ガスをプラズマ
化し、熱電極13に40Vのアーク電圧を与えて0.5
Aのアーク電流を発生させたとき、8Nの直径の引出し
穴(単孔)から引出される引出し電流1.電子電流■8
.負イオン電流■1が第4図に示されている。
加速電圧(Vacc)を5kVとしたときの負イオン電
流IH−は5mAであり、電流密度は10mA/’cm
2となる。この負イオン電流密度は、熱陰極放電のみの
負イオン発生装置で得られるものと同レベルのものであ
るが、電子電流Ieに対する比率は20%もあり、従来
装置の10%に比較して効率良く負イオンが生成されて
いることがわかる。
第5図は本発明になる他の負イオン発生装置を示してい
る。この負イオン発生装置は、プラズマ生成室7に電子
サイクロトロン共鳴用の磁界を生成するために真空容器
9の周囲に配置する励磁手段を2つの電磁コイル16a
、16bで構成したもので、これらの電磁コイル16a
、16bは熱陰極13が架設された位置に径方向の磁力
線を発生して磁気フィルタが生成されるように位置決め
される。
この装置は、電磁コイル16a、16bに流す電流を変
化させることによって電子サイクロトロン共鳴のための
磁界の領域を変えることができ、マイクロ波のチューニ
ングを取ることができる。
第6図は本発明になる更に他の負イオン発生装置を示し
ている。この負イオン発生装置は負イオン源の大口径化
(負イオン生成量増加)に対応するもので、1つの負イ
オン生成室14に対してこれに連通した2つのプラズマ
生成室7a、7bを備え、各プラズマ生成室7a、7b
毎にマイクロ波透過窓6a、6bを介してマイクロ波電
力供給回路が接続され、更に電子サイクロトロン共鳴用
磁界生成のための永久磁石8a、8bが設げられ、励起
状態の粒子を多量に生成するようにしている。
磁気フィルタを生成する棒状永久磁石群と電子を放出す
る熱陰極は参照符号12a、12bおよび13a、13
bで示すように2分して前記プラズマ生成室7a、7b
に対向して配置される。負イオン生成室14は生成され
た負イオンが拡散して−様な分布となるように前記熱陰
極13a、13bから引出し電極群15までの寸法が設
定される。
なお、電子サイクロトロン共鳴用磁界は、前述の装置と
同様に、電磁コイルによって生成するようにすることも
でき、また、プラズマ生成室の数は必要に応じて更に増
加することもできる。
第7図は、前述の大口径負イオン源に対応するための負
イオン発生装置を改良して、負イオン生成断面積を大き
くした負イオン発生装置である。
この装置は、2つのプラズマ生成室7a、7bと負イオ
ン生成室14の間にマイクロ波電力遮へいメツシュll
a、llbが設けられ、磁気フィルタを生成する棒状永
久磁石群12と電子を放出する熱陰極13は後退して負
イオン生成室14の中央に全面に渡って広く設けられて
いる。
このために2つのプラズマ生成室7a、7bで生成され
た励起状態の粒子は負イオン生成室14の前半の領域で
拡散され、広い面積で電子が供給されるので、より多く
の負イオンを生成することができる。
マイクロ波電力遮へいメツシュ11は磁気フィルタに隣
接した位置まで後退しても同様の効果を得ることができ
、また、永久磁石3a、3bは電磁コイ′ルに置換する
こともでき、更に、プラズマ生成室の数を増すこともで
きる。
〔発明の効果〕
以上のように本発明は、磁界とマイクロ波電力を用いて
電子サイクロトロン共鳴により気体を電離・励起してプ
ラズマを生成して負イオン生成のために必要な励起状態
の粒子を効率良く得、この粒子に熱陰極から放出した電
子を付着させるようにしているので、電子に対して高い
比率で多量の負イオンを生成することができる。従って
、比較約手さい引出し電流で多量の負イオンを引出すこ
とができる。また、励起状態の粒子は磁界とマイクロ波
電流によって生成しているのでメンテナンス性が向上す
る。
【図面の簡単な説明】
図面は本発明の実施例を示すもので、第1図は負イオン
発生装置の縦断側面図、第2図は第1図のn−n断面図
、第3図は負イオン発生効率測定装置の縦断側面図、第
4図は特性図、第5図〜第7図は他の負イオン発生装置
の要部縦断側面図である。 1−−−一−−−マイクロ波発振器、6−−−−−−−
マイクロ波透過窓、7−−−−−−プラズマ生成室、8
−−−−−−−永久磁石、9−−−一−−−真空容器、
10−−−−−−−永久磁石群、11−−−−マイクロ
波電力遮へいメツシュ、12−−−−−−−棒状永久磁
石群、13−−−−−−−熱陰極、14−−−−一負イ
オン生成室、15−−−−−−−引出し電極群。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、容器と、この容器中の気体を電離・励起してプラズ
    マを生成するプラズマ生成手段と、容器中の励起状態の
    粒子に電子を作用させて負イオンを生成する熱陰極を有
    する負イオン生成手段と、容器中から負イオンを引出す
    引出し電極群とを備えた負イオン発生装置において、前
    記プラズマ生成手段は、前記容器中に電子サイクロトロ
    ン共鳴領域を生成するために、マイクロ波電力を供給す
    るマイクロ波供給手段と磁界を作用させる励磁手段を備
    えたことを特徴とする負イオン発生装置。 2、特許請求の範囲第1項において、前記容器はプラズ
    マ生成領域と負イオン生成領域の間をマイクロ波電力遮
    へいメッシュで仕切つたことを特徴とする負イオン発生
    装置。 3、特許請求の範囲第1項または第2項において、前記
    負イオン生成手段は負イオン生成領域の周囲には該領域
    内に負イオンを閉じ込めるためのマルチポール磁界を生
    成する永久磁石群を備えたことを特徴とする負イオン発
    生装置。 4、特許請求の範囲第1項または第2項または第3項に
    おいて、前記負イオン生成手段は、プラズマ生成領域か
    ら流入する高速電子を抑制する磁気フィルタを生成する
    棒状永久磁石群を備えたことを特徴とする負イオン発生
    装置。 5、特許請求の範囲第4項において、前記熱陰極は前記
    棒状永久磁石群に隣接して設けられたことを特徴とする
    負イオン発生装置。 6、特許請求の範囲第4項において、前記棒状永久磁石
    群は間隙をおいて並設された複数の棒状永久磁石から成
    り、前記熱陰極は前記間隙内に並設されたことを特徴と
    する負イオン発生装置。 7、容器内の気体を電離・励起してプラズマを生成する
    プラズマ生成手段と、励起状態の粒子に電子を作用させ
    て負イオンを生成する熱陰極を有する負イオン生成手段
    と、容器から負イオンを引出す引出し電極群とを備えた
    負イオン発生装置において、前記プラズマ生成手段は、
    複数のプラズマ生成室と前記複数のプラズマ生成室にマ
    イクロ波電力を供給するマイクロ波電力供給手段と前記
    複数のプラズマ生成室の周囲に配置された励磁手段とを
    備え、前記負イオン生成手段は、前記複数のプラズマ生
    成室に連通し前記熱陰極が配置された1つの負イオン生
    成室を備えたことを特徴とする負イオン発生装置。 8、特許請求の範囲第7項において、前記プラズマ生成
    室と負イオン生成室の間にマイクロ波電力遮へいメッシ
    ュを設けたことを特徴とする負イオン発生装置。 9、特許請求の範囲第7項または第8項において、前記
    負イオン生成手段は、負イオン生成室の周囲に該室内に
    負イオンを閉じ込めるためのマルチポール磁界を生成す
    る永久磁石群を備えたことを特徴とする負イオン発生装
    置。 10、特許請求の範囲第7項または第8項または第9項
    において、前記負イオン生成手段は前記プラズマ生成手
    段から流入する高速電子を抑制する磁気フィルタを生成
    する棒状永久磁石群を備えたことを特徴とする負イオン
    発生装置。 11、特許請求の範囲第10項において、前記熱陰極は
    前記棒状永久磁石群に隣接して設けられたことを特徴と
    する負イオン発生装置。 12、特許請求の範囲第10項において、前記棒状永久
    磁石群は間隙をおいて並設された複数の棒状永久磁石か
    ら成り、前記熱陰極は前記間隙内に並設されたことを特
    徴とする負イオン発生装置。
JP63047383A 1988-03-02 1988-03-02 負イオン発生装置 Expired - Lifetime JP2614632B2 (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03254047A (ja) * 1990-03-02 1991-11-13 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> マイクロ波イオン銃
US6054063A (en) * 1997-06-24 2000-04-25 Nec Corporation Method for plasma treatment and apparatus for plasma treatment
EP4231325A1 (en) * 2022-02-16 2023-08-23 Japan Atomic Energy Agency Negative ion source and negative ion generation method

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US6054063A (en) * 1997-06-24 2000-04-25 Nec Corporation Method for plasma treatment and apparatus for plasma treatment
EP4231325A1 (en) * 2022-02-16 2023-08-23 Japan Atomic Energy Agency Negative ion source and negative ion generation method

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