JPH02814B2 - - Google Patents
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- JPH02814B2 JPH02814B2 JP59182463A JP18246384A JPH02814B2 JP H02814 B2 JPH02814 B2 JP H02814B2 JP 59182463 A JP59182463 A JP 59182463A JP 18246384 A JP18246384 A JP 18246384A JP H02814 B2 JPH02814 B2 JP H02814B2
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/54—Plasma accelerators
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J27/00—Ion beam tubes
- H01J27/02—Ion sources; Ion guns
- H01J27/08—Ion sources; Ion guns using arc discharge
- H01J27/14—Other arc discharge ion sources using an applied magnetic field
- H01J27/143—Hall-effect ion sources with closed electron drift
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/02—Details
- H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement or ion-optical arrangement
- H01J37/08—Ion sources; Ion guns
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- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
（技術分野）
本発明は、陽極および陰極を備えた放電空間に
電磁石により磁界を印加し、気体を注入して発生
させた気体放電により生成したホールイオンを加
速して射出するホールアクセラレータ、特に、陽
極部をマグネトロン型に構成して補助放電を発生
させるようにしたマグネトロン補助放電付ホール
アクセラレータに関するものである。
電磁石により磁界を印加し、気体を注入して発生
させた気体放電により生成したホールイオンを加
速して射出するホールアクセラレータ、特に、陽
極部をマグネトロン型に構成して補助放電を発生
させるようにしたマグネトロン補助放電付ホール
アクセラレータに関するものである。
（従来技術）
この種ホールアクセラレータは、将来、益々需
要の増大が予想される半導体製造、金属特性改善
などの分野において入射ビームイオン源としての
有効利用が期待されるが、従来のホールアクセラ
レータは、１キロアンペアまでの大電流、数百ボ
ルト程度の低電圧、数ミリ秒程度の短パルスの形
態で30度にも達する広いビーム発散角のホールイ
オンビームしか発生させ得なかつた。すなわち、
第１０図に示すように、円環板状の陽極Ａと対向
する大きい円形開口をなした陰極Ｃとを備えた円
筒状絶縁材壁IWがなす放電空間に外鉄型鉄芯Ｆ
に巻回したソレノイドＳによつて半径方向の磁界
を印加しただけの簡単な構成の装置における放電
空間に直接気体を注入して気体放電を発生させて
いた。したがつて、電極加熱のため、大電流では
あつても、低圧、短パルスのイオン射出しかなし
得ず、ビーム発散角も広くならざるを得なかつ
た。
要の増大が予想される半導体製造、金属特性改善
などの分野において入射ビームイオン源としての
有効利用が期待されるが、従来のホールアクセラ
レータは、１キロアンペアまでの大電流、数百ボ
ルト程度の低電圧、数ミリ秒程度の短パルスの形
態で30度にも達する広いビーム発散角のホールイ
オンビームしか発生させ得なかつた。すなわち、
第１０図に示すように、円環板状の陽極Ａと対向
する大きい円形開口をなした陰極Ｃとを備えた円
筒状絶縁材壁IWがなす放電空間に外鉄型鉄芯Ｆ
に巻回したソレノイドＳによつて半径方向の磁界
を印加しただけの簡単な構成の装置における放電
空間に直接気体を注入して気体放電を発生させて
いた。したがつて、電極加熱のため、大電流では
あつても、低圧、短パルスのイオン射出しかなし
得ず、ビーム発散角も広くならざるを得なかつ
た。
しかしながら、上述した産業分野や核融合の研
究分野に用いるホールアクセラレータとしては、
数キロボルト乃至数百キロボルトの高電圧、数ア
ンペア乃至数十アンペアの中程度の電流のイオン
ビームを連続して安定に小さい発散角で射出し得
るものを開発する必要があつた。かかる必要を満
すように開発された従来のホールアクセラレータ
としては、英国カラム研究所による第１１図に示
す構成のものがある。すなわち、円柱状と円筒状
との石英壁Ｑを同軸に配置して構成した細長い放
電空間の両端に第１図示の従来構成におけると同
様の円環状タングステン陽極TAと円環状銅陰極
CCとを設け、長大な外鉄型鉄芯Ｆに第１段およ
び第２段のソレノイドS1およびS2を巻回して半径
方向の磁界を印加し、最高電圧30キロボルト、最
大電流1.5アンペアのホールイオンビームを数秒
間連続して射出し得るようにしてある。
究分野に用いるホールアクセラレータとしては、
数キロボルト乃至数百キロボルトの高電圧、数ア
ンペア乃至数十アンペアの中程度の電流のイオン
ビームを連続して安定に小さい発散角で射出し得
るものを開発する必要があつた。かかる必要を満
すように開発された従来のホールアクセラレータ
としては、英国カラム研究所による第１１図に示
す構成のものがある。すなわち、円柱状と円筒状
との石英壁Ｑを同軸に配置して構成した細長い放
電空間の両端に第１図示の従来構成におけると同
様の円環状タングステン陽極TAと円環状銅陰極
CCとを設け、長大な外鉄型鉄芯Ｆに第１段およ
び第２段のソレノイドS1およびS2を巻回して半径
方向の磁界を印加し、最高電圧30キロボルト、最
大電流1.5アンペアのホールイオンビームを数秒
間連続して射出し得るようにしてある。
しかしながら、前述した必要を満すために開発
されたのも拘わらず、上述した従来のホールアク
セラレータに関してはビーム発散角や安定性等に
ついては性能の報告がなされておらず、しかも、
放電用ガスは、図示のとおりに、直接に放電空間
に注入するように構成されているので、ガス効率
やビーム発散角、あるいは、再現性、作動領域等
の点に問題があつたものと認められる。さらに、
従来のこの種ホールアクセラレータは、そのほと
んどがパルス動作に用いられていたので、第１０
図に示したように、放電電極の冷却など連続動作
に必要な事項について考慮されていなかつた。か
かる放電電極の冷却について、第１１図に示した
従来例においては、図示の各注入口WI、注出口
WOにより冷却油を流して電磁石を油冷却すると
ともに、冷却水を流して銅陰極CCを水冷却して
あるが、放電空間内の陽極TAは、高融点金属の
タングステンを冷却なしで用いてある。しかしな
がら、円環状の陽極TAは、その表面積が小さい
ので、気体放電により生成した電子が集中するた
めその熱損失が危惧され、長時間の連続作動は困
難とみられる。したがつて、構造上電気絶縁が困
難な陽極TAにも水冷却を施すことが長時間連続
作動には不可欠の要件となる欠点があつた。
されたのも拘わらず、上述した従来のホールアク
セラレータに関してはビーム発散角や安定性等に
ついては性能の報告がなされておらず、しかも、
放電用ガスは、図示のとおりに、直接に放電空間
に注入するように構成されているので、ガス効率
やビーム発散角、あるいは、再現性、作動領域等
の点に問題があつたものと認められる。さらに、
従来のこの種ホールアクセラレータは、そのほと
んどがパルス動作に用いられていたので、第１０
図に示したように、放電電極の冷却など連続動作
に必要な事項について考慮されていなかつた。か
かる放電電極の冷却について、第１１図に示した
従来例においては、図示の各注入口WI、注出口
WOにより冷却油を流して電磁石を油冷却すると
ともに、冷却水を流して銅陰極CCを水冷却して
あるが、放電空間内の陽極TAは、高融点金属の
タングステンを冷却なしで用いてある。しかしな
がら、円環状の陽極TAは、その表面積が小さい
ので、気体放電により生成した電子が集中するた
めその熱損失が危惧され、長時間の連続作動は困
難とみられる。したがつて、構造上電気絶縁が困
難な陽極TAにも水冷却を施すことが長時間連続
作動には不可欠の要件となる欠点があつた。
（発明の目的）
本発明の目的は、上述した従来の欠点を除去
し、10〜100キロボルトの高電圧、１〜10アンペ
アの中電流のホールイオンビームを、狭いビーム
発散角で、フイラメントなしの連続運転により、
安定に高い再現性および高いガス効率をもつて射
出し、しかも、各種のホールイオンを単独もしく
は同時に加速し、広い動作領域に亘つてイオンビ
ームのエネルギー分布を制御し得るようにしたホ
ールアクセラレータ、特に、マグネトロン補助放
電付ホールアクセラレータを提供することにあ
る。
し、10〜100キロボルトの高電圧、１〜10アンペ
アの中電流のホールイオンビームを、狭いビーム
発散角で、フイラメントなしの連続運転により、
安定に高い再現性および高いガス効率をもつて射
出し、しかも、各種のホールイオンを単独もしく
は同時に加速し、広い動作領域に亘つてイオンビ
ームのエネルギー分布を制御し得るようにしたホ
ールアクセラレータ、特に、マグネトロン補助放
電付ホールアクセラレータを提供することにあ
る。
本発明の他の目的は、上述した性能を実用性を
損うことなく実現して、つぎに述べるような各産
業分野に応用可能のホールアクセラレータ、特
に、マグネトロン補助放電付ホールアクセラレー
タを提供することにある。
損うことなく実現して、つぎに述べるような各産
業分野に応用可能のホールアクセラレータ、特
に、マグネトロン補助放電付ホールアクセラレー
タを提供することにある。
すなわち、本発明ホールアクセラレータは、例
えば、 (1) 半導体製造の産業分野におけるイオン注入用
イオン源 (2) 機械工具製造の産業分野における金属性能改
善、例えば、窒素イオン注入による金属材料表
面の耐摩耗性強化のためのイオン注入用イオン
源 (3) 製鉄産業分野における鋼板難錆化のための窒
素等注入用イオン源 (4) 材料照射実験用イオン源 (5) 核融合炉からの漏洩プラズマ模擬用イオン源 などに適用することを目的とする。
えば、 (1) 半導体製造の産業分野におけるイオン注入用
イオン源 (2) 機械工具製造の産業分野における金属性能改
善、例えば、窒素イオン注入による金属材料表
面の耐摩耗性強化のためのイオン注入用イオン
源 (3) 製鉄産業分野における鋼板難錆化のための窒
素等注入用イオン源 (4) 材料照射実験用イオン源 (5) 核融合炉からの漏洩プラズマ模擬用イオン源 などに適用することを目的とする。
（発明の構成）
本発明マグネトロン補助放電付ホールアクセラ
レータは、陽極および陰極を備えた放電空間に電
磁石により磁界を印加し、気体を注入して発生さ
せた気体放電により生成したホールイオンを加速
して射出するホールアクセラレータにおいて、前
記陽極を前記放電空間と同軸の内外二重の円筒形
状電極により構成して当該内外二重の電極間に電
界を印加するとともに前記電極の周わりに設けた
補助電磁石により前記円筒形状の軸方向に磁界を
印加してマグネトロン配位の補助放電を発生さ
せ、前記陰極を前記放電空間とそれぞれ同軸の半
球状内側陰極および円環状外側陰極により構成す
るとともに前記外側陰極を前記内側陰極より前記
ホールイオンを射出する方向に突出させたことを
特徴とするものである。
レータは、陽極および陰極を備えた放電空間に電
磁石により磁界を印加し、気体を注入して発生さ
せた気体放電により生成したホールイオンを加速
して射出するホールアクセラレータにおいて、前
記陽極を前記放電空間と同軸の内外二重の円筒形
状電極により構成して当該内外二重の電極間に電
界を印加するとともに前記電極の周わりに設けた
補助電磁石により前記円筒形状の軸方向に磁界を
印加してマグネトロン配位の補助放電を発生さ
せ、前記陰極を前記放電空間とそれぞれ同軸の半
球状内側陰極および円環状外側陰極により構成す
るとともに前記外側陰極を前記内側陰極より前記
ホールイオンを射出する方向に突出させたことを
特徴とするものである。
（実施例）
以下に図面を参照して実施例につき本発明を詳
細に説明する。
細に説明する。
本発明によるマグネトロン補助放電付ホールア
クセラレータ（HAPID：Ｈall Ａccelerator
with Ｐreionization Ｄischarge）の構成例を
第１図に示し、その電気回路系統を第２図に模式
的に示す。
クセラレータ（HAPID：Ｈall Ａccelerator
with Ｐreionization Ｄischarge）の構成例を
第１図に示し、その電気回路系統を第２図に模式
的に示す。
本発明によるホールアクセラレータの図示の構
成は、第１１図に示した従来構成と概略において
ほぼ同一であり、二重の長円筒状の石英壁Ｑによ
り囲んだ放電空間の両端部に同軸陽極AAおよび
同軸陰極ACをそれぞれ配置するとともに、外鉄
型鉄芯Ｆに２段に分けて巻回したソレノイドS1よ
りなる電磁石によつて放電空間に磁界を印加し、
ガス注入口GIからガスを注入して連続的にガス
放電をおこさせ、各注入口WIおよび各注出口
WOにより流す冷却水および冷却油によつて各放
電電極および各電磁石をそれぞれ冷却して連続動
作に耐えさせてある。
成は、第１１図に示した従来構成と概略において
ほぼ同一であり、二重の長円筒状の石英壁Ｑによ
り囲んだ放電空間の両端部に同軸陽極AAおよび
同軸陰極ACをそれぞれ配置するとともに、外鉄
型鉄芯Ｆに２段に分けて巻回したソレノイドS1よ
りなる電磁石によつて放電空間に磁界を印加し、
ガス注入口GIからガスを注入して連続的にガス
放電をおこさせ、各注入口WIおよび各注出口
WOにより流す冷却水および冷却油によつて各放
電電極および各電磁石をそれぞれ冷却して連続動
作に耐えさせてある。
しかしながら、本発明による第１図示の構成
は、第１１図示の従来構成と比較して、つぎの点
において格段に相違している。すなわち、第１１
図示の従来構成においては放電空間内に簡単な円
環状のタングステン陽極TAを配設してあるに過
ぎないのに対し、第１図示の本発明による構成に
おいては、内外二重の同軸円筒状をなして無酸素
銅よりなる同軸陽極AA1およびAA2により放電
空間を囲み、第２図に示すように、内外の同軸陽
極AA1，AA2間に電圧源B2により例えば数百ボ
ルトの電圧VMを印加して補助放電電流IMを流す
とともに、第１１図示の従来構成におけると同様
に、主放電領域DAに配設した第１段の電磁石ソ
レノイドS1により放電空間に半径方向の磁界Br
を印加するのとは別個に、同軸陽極AA1，AA2
を囲んでヘルムホルツコイルをなす第２段の電磁
石ソレノイドS2を配設し、軸方向に例えば数百ガ
ウスの磁界Bnを印加してある。したがつて、か
かる構成の放電陽極部の電磁界はマグネトロンと
同様の配位になつており、かかるマグネトロン配
位陽極部MAにおいて主放電領域DAとは別個に
生起させた補助放電により主放電領域DAにおけ
る気体放電が安定化する。さらに、第３図につき
後述するように、第２段の電磁石ソレノイドS2に
より軸方向に印加した磁界がマグネトロン配位陽
極部MAの上端部における放電空間を塞ぐマコー
ル絶縁体Ｍを横切るとともに、第１段と第２段と
の電磁石S1とS2との中間に生じた半径方向の磁界
が放電空間を囲む石英壁Ｑを横切り、それら上下
端に位置して磁束に横切られる絶縁体が負に帯電
するので、陽極部MAに補助放電により生じた電
子がマグネトロン配位の電磁界と上下両端の負電
位とにより極めて効果的に陽極部領域に閉じ込め
られる。その結果、軸方向の磁界Vn＝０として
マグネトロン配位に電磁界を用いない従来構成に
おいては主気体放電が極めて不安定で再現性に乏
しいのに対し、例えば軸方向磁界Bn＝±150ガウ
ス、同軸陽極間印加電圧VM＞300ボルトとした本
発明によるマグネトロン配位の電磁界を用いたホ
ールアクセラレータにおいては、例えば水素H2
ガスとする注入ガスの補助放電が、マグネトロン
配位領域に閉じ込められた電子により極めて効率
よく行なわれるので、極めて安定な主放電が得ら
れ、良好な再現性をもつてホールイオンを引出す
ことができる。
は、第１１図示の従来構成と比較して、つぎの点
において格段に相違している。すなわち、第１１
図示の従来構成においては放電空間内に簡単な円
環状のタングステン陽極TAを配設してあるに過
ぎないのに対し、第１図示の本発明による構成に
おいては、内外二重の同軸円筒状をなして無酸素
銅よりなる同軸陽極AA1およびAA2により放電
空間を囲み、第２図に示すように、内外の同軸陽
極AA1，AA2間に電圧源B2により例えば数百ボ
ルトの電圧VMを印加して補助放電電流IMを流す
とともに、第１１図示の従来構成におけると同様
に、主放電領域DAに配設した第１段の電磁石ソ
レノイドS1により放電空間に半径方向の磁界Br
を印加するのとは別個に、同軸陽極AA1，AA2
を囲んでヘルムホルツコイルをなす第２段の電磁
石ソレノイドS2を配設し、軸方向に例えば数百ガ
ウスの磁界Bnを印加してある。したがつて、か
かる構成の放電陽極部の電磁界はマグネトロンと
同様の配位になつており、かかるマグネトロン配
位陽極部MAにおいて主放電領域DAとは別個に
生起させた補助放電により主放電領域DAにおけ
る気体放電が安定化する。さらに、第３図につき
後述するように、第２段の電磁石ソレノイドS2に
より軸方向に印加した磁界がマグネトロン配位陽
極部MAの上端部における放電空間を塞ぐマコー
ル絶縁体Ｍを横切るとともに、第１段と第２段と
の電磁石S1とS2との中間に生じた半径方向の磁界
が放電空間を囲む石英壁Ｑを横切り、それら上下
端に位置して磁束に横切られる絶縁体が負に帯電
するので、陽極部MAに補助放電により生じた電
子がマグネトロン配位の電磁界と上下両端の負電
位とにより極めて効果的に陽極部領域に閉じ込め
られる。その結果、軸方向の磁界Vn＝０として
マグネトロン配位に電磁界を用いない従来構成に
おいては主気体放電が極めて不安定で再現性に乏
しいのに対し、例えば軸方向磁界Bn＝±150ガウ
ス、同軸陽極間印加電圧VM＞300ボルトとした本
発明によるマグネトロン配位の電磁界を用いたホ
ールアクセラレータにおいては、例えば水素H2
ガスとする注入ガスの補助放電が、マグネトロン
配位領域に閉じ込められた電子により極めて効率
よく行なわれるので、極めて安定な主放電が得ら
れ、良好な再現性をもつてホールイオンを引出す
ことができる。
また、放電空間に軸方向の磁界Bnを印加する
第２段の電磁石を励磁するヘルムホルツコイルS2
に通電する電流の方向を反転させると、主放電領
域DAにおける放電空間の半径方向に印加する第
１段の電磁石ソレノイドS1による磁界との合成の
態様が変化する。すなわち、軸方向磁界Bn＞０
として、第２図示の電気回路系における各部電
流、電圧を例えば第８図ａに示す値に設定したと
きには、図示のようなカプス的磁場配位が得ら
れ、マグネトロン補助放電領域MAと主放電領域
DAとの境界部における磁力線が半径方向を向
き、両者間における電子の移動を抑制することに
なり、さらに、軸方向磁界Bn＜０として、各部
電流、電圧を例えば第３図ｂに示す値に設定した
ときには、図示のようなミラー的磁場配位が得ら
れ、マグネトロン補助放電領域MAと主放電領域
DAとの境界部における磁力線が軸方向を向き、
両者間における電子の移動の抑制が解かれる。
第２段の電磁石を励磁するヘルムホルツコイルS2
に通電する電流の方向を反転させると、主放電領
域DAにおける放電空間の半径方向に印加する第
１段の電磁石ソレノイドS1による磁界との合成の
態様が変化する。すなわち、軸方向磁界Bn＞０
として、第２図示の電気回路系における各部電
流、電圧を例えば第８図ａに示す値に設定したと
きには、図示のようなカプス的磁場配位が得ら
れ、マグネトロン補助放電領域MAと主放電領域
DAとの境界部における磁力線が半径方向を向
き、両者間における電子の移動を抑制することに
なり、さらに、軸方向磁界Bn＜０として、各部
電流、電圧を例えば第３図ｂに示す値に設定した
ときには、図示のようなミラー的磁場配位が得ら
れ、マグネトロン補助放電領域MAと主放電領域
DAとの境界部における磁力線が軸方向を向き、
両者間における電子の移動の抑制が解かれる。
その結果、第２段の電磁石ソレノイドS2に対す
る通電方向を反転させることにより、第４図に示
すように二様のホールイオンビームの加速電流特
性が得られる。したがつて、放電空間に対する軸
方向印加磁界Bnの励磁電流の極性および電流値
並びに半径方向印加磁界Brの励磁電流値を種々
の組合わせで変化させることにより、第５図に示
すようにホールイオンビーム加速電流特性を種々
制御することが可能となる。また、マグネトロン
配位領域MAに生起させる補助放電についても、
かかる印加磁界および印加電界並びにガス流入を
それぞれ適切な値にして組合わせ制御することに
より、良好な再現性をもつて安定に生起させるこ
とができ、しかも、電子が流入する放電陽極の表
面積を格段に増大させることができるので、ホー
ルアクセラレータの連続的運転に対して極めて好
適である。
る通電方向を反転させることにより、第４図に示
すように二様のホールイオンビームの加速電流特
性が得られる。したがつて、放電空間に対する軸
方向印加磁界Bnの励磁電流の極性および電流値
並びに半径方向印加磁界Brの励磁電流値を種々
の組合わせで変化させることにより、第５図に示
すようにホールイオンビーム加速電流特性を種々
制御することが可能となる。また、マグネトロン
配位領域MAに生起させる補助放電についても、
かかる印加磁界および印加電界並びにガス流入を
それぞれ適切な値にして組合わせ制御することに
より、良好な再現性をもつて安定に生起させるこ
とができ、しかも、電子が流入する放電陽極の表
面積を格段に増大させることができるので、ホー
ルアクセラレータの連続的運転に対して極めて好
適である。
本発明ホールアクセラレータの試作実験の結果
によれば、マグネトロン配位領域MAに補助放電
が生起したことにより、高いガス効率および良好
な再現性をもつて安定にホールイオンビームを発
生させ得るのみにならず、前述した水素H2イオ
ンの例に限ることなく他の元素のホールイオンビ
ームも単独に、あるいは、複数種類のホールイオ
ンを混合し、同時に加速して射出することも可能
であつた。
によれば、マグネトロン配位領域MAに補助放電
が生起したことにより、高いガス効率および良好
な再現性をもつて安定にホールイオンビームを発
生させ得るのみにならず、前述した水素H2イオ
ンの例に限ることなく他の元素のホールイオンビ
ームも単独に、あるいは、複数種類のホールイオ
ンを混合し、同時に加速して射出することも可能
であつた。
一方、本発明による第１図示の構成のホールア
クセラレータにおいては、放電陰極についても、
第１１図示の従来構成においては円環状銅陰極
CCのみを配設していたのに対し、半球状にした
内側の同軸銅陰極AC1および円環状にした外側の
同軸銅陰極AC2を内外二重に同軸に配置するとと
もに、外側陰極AC2を内側陰極AC1に対してイオ
ンビーム射出方向にわずかに突出させて、第２図
に示すように同電位に保つた内外両陰極AC1，
AC2間においては印加電界に等電位線が軸中心に
内側に落込むような接続配置にする。その結果、
外側の円環状陰極AC2の開口から射出するホール
イオンビームは、従来の円環状銅陰極CCのみを
設けた構成に比して、格段に良好な収束性を呈す
る。一例として、開口端から226モリメートルだ
け距つた位置におけるイオンビームの半径方向分
布は、第６図に示すように、極めて良好な収束性
を呈している。なお、この試作実験例において
は、マグネトロン配位の電磁界における補助放電
を生起させたことにより、引出し電力と入力電力
との比によつて表わす出力効率ηが46％にも達
し、従来に比して大幅に改善することができた。
また、ビーム発散角についても、従来構成におい
ては30度程度に留まつていたのに対し、第７図に
示すように、約６度以下の極めて狭い値が得ら
れ、マグネトロン配位の補助放電および上述した
同軸陰極形状がイオンビームの収束性に大きく寄
与していることが実証された。
クセラレータにおいては、放電陰極についても、
第１１図示の従来構成においては円環状銅陰極
CCのみを配設していたのに対し、半球状にした
内側の同軸銅陰極AC1および円環状にした外側の
同軸銅陰極AC2を内外二重に同軸に配置するとと
もに、外側陰極AC2を内側陰極AC1に対してイオ
ンビーム射出方向にわずかに突出させて、第２図
に示すように同電位に保つた内外両陰極AC1，
AC2間においては印加電界に等電位線が軸中心に
内側に落込むような接続配置にする。その結果、
外側の円環状陰極AC2の開口から射出するホール
イオンビームは、従来の円環状銅陰極CCのみを
設けた構成に比して、格段に良好な収束性を呈す
る。一例として、開口端から226モリメートルだ
け距つた位置におけるイオンビームの半径方向分
布は、第６図に示すように、極めて良好な収束性
を呈している。なお、この試作実験例において
は、マグネトロン配位の電磁界における補助放電
を生起させたことにより、引出し電力と入力電力
との比によつて表わす出力効率ηが46％にも達
し、従来に比して大幅に改善することができた。
また、ビーム発散角についても、従来構成におい
ては30度程度に留まつていたのに対し、第７図に
示すように、約６度以下の極めて狭い値が得ら
れ、マグネトロン配位の補助放電および上述した
同軸陰極形状がイオンビームの収束性に大きく寄
与していることが実証された。
一方、第１図示の構成による本発明ホールアク
セラレータにおいては、連続運転に耐え得るよう
にするために、熱負荷を受ける個所のすべて、す
なわち、同軸二重構造の放電陽極および放電陰極
並びに第１段および第２段の電磁石のすべてに対
して冷却水並びに冷却油による強制冷却を施して
あることは前述したとおりであるが、高電圧を印
加する放電陽極部にマグネトロン配位の電磁界を
実現するためには、高電位にある内側円筒状同軸
陽極AA1の内壁面をも零電位の冷却水によつて
冷却する必要がある。しかして、第３図から明ら
かなように、内側円筒状同軸陽極AA1の延長上
に半球状同軸陰極AC1を支持するための零電位の
内側陰極支持棒CAが同軸陽極AA1の内側を貫通
しており、しかも、一端支持の片持ち構造になつ
ているので、高電位陽極AA1と零電位陰極AC1と
をそれぞれ強制冷却する冷却水は、いずれも、支
持端側から注入、流出せざるを得ず、円筒状同軸
陽極AA1と陰極支持軸CAとの隙間の狭い空間内
で、陽極内壁面に沿い、電気絶縁および真空シー
ルを同時に施した状態で冷却水を昇降させる必要
があつた。
セラレータにおいては、連続運転に耐え得るよう
にするために、熱負荷を受ける個所のすべて、す
なわち、同軸二重構造の放電陽極および放電陰極
並びに第１段および第２段の電磁石のすべてに対
して冷却水並びに冷却油による強制冷却を施して
あることは前述したとおりであるが、高電圧を印
加する放電陽極部にマグネトロン配位の電磁界を
実現するためには、高電位にある内側円筒状同軸
陽極AA1の内壁面をも零電位の冷却水によつて
冷却する必要がある。しかして、第３図から明ら
かなように、内側円筒状同軸陽極AA1の延長上
に半球状同軸陰極AC1を支持するための零電位の
内側陰極支持棒CAが同軸陽極AA1の内側を貫通
しており、しかも、一端支持の片持ち構造になつ
ているので、高電位陽極AA1と零電位陰極AC1と
をそれぞれ強制冷却する冷却水は、いずれも、支
持端側から注入、流出せざるを得ず、円筒状同軸
陽極AA1と陰極支持軸CAとの隙間の狭い空間内
で、陽極内壁面に沿い、電気絶縁および真空シー
ルを同時に施した状態で冷却水を昇降させる必要
があつた。
第１図示の構成においては、かかる困難な条件
の強制冷却を施すために、陰極支持棒CAを二重
管状に構成して同軸陰極ACに対する冷却水を内
側から注入して外側に流出させ、また、同軸陽極
AA1については、一層に二重螺旋溝を設けた三
層円筒状の水冷チヤネルを設け、各所にバイトン
Ｏリングを適切に配置して電気絶縁と真空シール
とを同時に施し、二重螺旋溝内に冷却水を昇降さ
せるようにしてある。
の強制冷却を施すために、陰極支持棒CAを二重
管状に構成して同軸陰極ACに対する冷却水を内
側から注入して外側に流出させ、また、同軸陽極
AA1については、一層に二重螺旋溝を設けた三
層円筒状の水冷チヤネルを設け、各所にバイトン
Ｏリングを適切に配置して電気絶縁と真空シール
とを同時に施し、二重螺旋溝内に冷却水を昇降さ
せるようにしてある。
第１図につき以上に詳述した構成による本発明
ホールアクセラレータにおいては、マグネトロン
配位領域MAの軸方向磁界Bnおよび同軸陽極間
印加電圧VM並びに主放電領域DAの半径方向磁界
Brを変化させることにより、第８図に示すよう
な主放電加速電流Iacc対半径方向軸界Br特性、あ
るいは、第９図に示すような主放電加速電流Iacc
対主放電加速電圧Vacc特性が得られる。なお、本
発明ホールアクセラレータにおけるイオンビーム
射出時間は、第１図示の構成におけるガス注入口
GIに、ピエゾ素子によりガス流通間隙幅を電子
的に変化させるように構成したガス注入バルブを
接続して電子的に制御するので、その電子的制御
のパラメータを予め設定しておくことにより、良
好な再現性をもつて所定時間だけ所定量のイオン
ビームを正確に射出するように制御することがで
きる。さらに、放電陽極部にマグネトロン配位の
電磁界による補助放電を付加して生起させること
により、従来に比して安定動作領域が格段に拡大
され、いわゆるダイナミツクレンジが大幅に拡大
された。また、異なるイオン種が同時に存在する
混合ホールイオンビームも高いガス効率をもつて
射出することが可能となり、しかも、フイラメン
トは用いていないのであるから、酸素イオンビー
ムの加速射出も原理的には可能となる。
ホールアクセラレータにおいては、マグネトロン
配位領域MAの軸方向磁界Bnおよび同軸陽極間
印加電圧VM並びに主放電領域DAの半径方向磁界
Brを変化させることにより、第８図に示すよう
な主放電加速電流Iacc対半径方向軸界Br特性、あ
るいは、第９図に示すような主放電加速電流Iacc
対主放電加速電圧Vacc特性が得られる。なお、本
発明ホールアクセラレータにおけるイオンビーム
射出時間は、第１図示の構成におけるガス注入口
GIに、ピエゾ素子によりガス流通間隙幅を電子
的に変化させるように構成したガス注入バルブを
接続して電子的に制御するので、その電子的制御
のパラメータを予め設定しておくことにより、良
好な再現性をもつて所定時間だけ所定量のイオン
ビームを正確に射出するように制御することがで
きる。さらに、放電陽極部にマグネトロン配位の
電磁界による補助放電を付加して生起させること
により、従来に比して安定動作領域が格段に拡大
され、いわゆるダイナミツクレンジが大幅に拡大
された。また、異なるイオン種が同時に存在する
混合ホールイオンビームも高いガス効率をもつて
射出することが可能となり、しかも、フイラメン
トは用いていないのであるから、酸素イオンビー
ムの加速射出も原理的には可能となる。
（効 果）
以上の説明から明らかなように、本発明によれ
ば、ホールアクセラレータの放電陽極部にマグネ
トロン配位の電磁界による補助放電領域を設ける
とともに、放電陰極部を内外二重の同軸構成にし
て外側陰極を突出させることによりイオン射出端
の電界を内側に向け、さらに、連続運転時に熱負
荷を受ける部分のすべてに対し、電気絶縁および
真空シールを確保した状態で強制冷却系を設けて
あり、かかる諸種の改良手段を施したことによ
り、連続運転が可能な高電圧、中電流のホールイ
オンビームを、良好な再現性および高いガス効率
をもつて、従来に比し格段に広い安定動作領域に
おいて加速射出することが可能となり、さらに、
多種イオンの同時射出など従来得られなかつた優
れた性能を有するホールアクセラレータを実現し
得るという、顕著な効果を得ることができる。
ば、ホールアクセラレータの放電陽極部にマグネ
トロン配位の電磁界による補助放電領域を設ける
とともに、放電陰極部を内外二重の同軸構成にし
て外側陰極を突出させることによりイオン射出端
の電界を内側に向け、さらに、連続運転時に熱負
荷を受ける部分のすべてに対し、電気絶縁および
真空シールを確保した状態で強制冷却系を設けて
あり、かかる諸種の改良手段を施したことによ
り、連続運転が可能な高電圧、中電流のホールイ
オンビームを、良好な再現性および高いガス効率
をもつて、従来に比し格段に広い安定動作領域に
おいて加速射出することが可能となり、さらに、
多種イオンの同時射出など従来得られなかつた優
れた性能を有するホールアクセラレータを実現し
得るという、顕著な効果を得ることができる。
本発明によるホールアクセラレータは、比較的
簡単な構成によつて従来に比し格段に優れた特性
の高エネルギーイオンビームを連続して効率よく
発生ませることができ、しかも、フイラメントは
用いていないので、保守をほとんど要せず、した
がつて、産業分野におけるイオン注入用イオン源
として最適であり、極めて広い範囲の産業分野に
適用することができる。
簡単な構成によつて従来に比し格段に優れた特性
の高エネルギーイオンビームを連続して効率よく
発生ませることができ、しかも、フイラメントは
用いていないので、保守をほとんど要せず、した
がつて、産業分野におけるイオン注入用イオン源
として最適であり、極めて広い範囲の産業分野に
適用することができる。
本発明マグネトロン補助放電付ホールアクセラ
レータを応用するに適した産業分野の具体例を挙
げるとつぎのとおりである。
レータを応用するに適した産業分野の具体例を挙
げるとつぎのとおりである。
(1) 主放電領域を放電陽極側に近づけるととも
に、弱い半径方向磁界を放電陰極の上端に近づ
けることにより、単一エネルギーに近い10アン
ペア程度の中電流のイオンビームを発生させて
半導体素子製造時のイオン注入用イオン源とし
て用いる。
に、弱い半径方向磁界を放電陰極の上端に近づ
けることにより、単一エネルギーに近い10アン
ペア程度の中電流のイオンビームを発生させて
半導体素子製造時のイオン注入用イオン源とし
て用いる。
(2) 放電陽極および放電陰極をともに酸化し難い
金属材料、例えばステンレスにて製作し、ある
いは、白金被覆を施すなどして酸素イオンビー
ムを発生させ、同じく半導体素子製造時のイオ
ン注入用乃至絶縁用イオン源として用いる。
金属材料、例えばステンレスにて製作し、ある
いは、白金被覆を施すなどして酸素イオンビー
ムを発生させ、同じく半導体素子製造時のイオ
ン注入用乃至絶縁用イオン源として用いる。
(3) 金属製工具、もしくは、鋼材、鋼板に炭素、
窒素等、表面耐摩耗性強化用元素のイオンを注
入するためのイオン源として用いる。なお、こ
の場合には、本発明ホールアクセラレータを比
較的高い放電電圧で作動させ、差動排気系を備
えた環境内を連続移動する製品にイオン注入を
施すことも可能である。
窒素等、表面耐摩耗性強化用元素のイオンを注
入するためのイオン源として用いる。なお、こ
の場合には、本発明ホールアクセラレータを比
較的高い放電電圧で作動させ、差動排気系を備
えた環境内を連続移動する製品にイオン注入を
施すことも可能である。
(4) 多種イオン注入用イオン源として用いる。
第１図は本発明ホールアクセラレータの構成例
を示す縦断面図、第２図は同じくその構成例の電
気回路系統を示す回路図、第３図ａおよびｂは同
じくその構成例における磁界分布のカプス状およ
びミラー状の配位をそれぞれ示す線図、第４図は
同じくその構成例におけるマグネトロン配位補助
放電の加速電流特性を示す特性曲線図、第５図は
同じくその構成例におけるマグネトロン配位の軸
方向磁界の向きに応じた主放電加速電圧および補
助放電電流特性を示す特性曲線図、第６図は同じ
くその構成例におけるイオンビーム分布特性を示
す特性曲線図、第７図は同じくその構成例におけ
るビーム発散角の主放電領域半径方向磁界依存特
性を示す特性曲線図、第８図は同じくその構成例
における主放電加速電流の半径方向磁界依存特性
を示す特性曲線図、第９図は同じくその構成例に
おけるイオンビーム加速電圧電流特性を示す特性
曲線図、第１０図および第１１図は従来のホール
アクセラレータの構成をそれぞれ示す縦断面図で
ある。 Ａ…陽極、TA…タングステン陽極、AA…同
軸陽極、Ｃ…陰極、CC…銅陰極、AC…同軸陰
極、DA…主放電領域、MA…マグネトロン配位
補助放電領域、CA…陰極支持棒、Ｆ…鉄芯、Ｓ，
S1，S2…電磁石ソレノイド、IW…絶縁壁、IP…
絶縁材支柱、Ｑ…石英壁、Ｍ…マコール絶縁材、
GV…ガスバルブ、GI…ガス注入口、WI…冷媒
注入口、WO…冷媒注出口、Br…半径方向磁界、
Bn…軸方向磁界、IO1〜IO3…駆動電源接続口、
Wa，Wb，Wc…水冷管。
を示す縦断面図、第２図は同じくその構成例の電
気回路系統を示す回路図、第３図ａおよびｂは同
じくその構成例における磁界分布のカプス状およ
びミラー状の配位をそれぞれ示す線図、第４図は
同じくその構成例におけるマグネトロン配位補助
放電の加速電流特性を示す特性曲線図、第５図は
同じくその構成例におけるマグネトロン配位の軸
方向磁界の向きに応じた主放電加速電圧および補
助放電電流特性を示す特性曲線図、第６図は同じ
くその構成例におけるイオンビーム分布特性を示
す特性曲線図、第７図は同じくその構成例におけ
るビーム発散角の主放電領域半径方向磁界依存特
性を示す特性曲線図、第８図は同じくその構成例
における主放電加速電流の半径方向磁界依存特性
を示す特性曲線図、第９図は同じくその構成例に
おけるイオンビーム加速電圧電流特性を示す特性
曲線図、第１０図および第１１図は従来のホール
アクセラレータの構成をそれぞれ示す縦断面図で
ある。 Ａ…陽極、TA…タングステン陽極、AA…同
軸陽極、Ｃ…陰極、CC…銅陰極、AC…同軸陰
極、DA…主放電領域、MA…マグネトロン配位
補助放電領域、CA…陰極支持棒、Ｆ…鉄芯、Ｓ，
S1，S2…電磁石ソレノイド、IW…絶縁壁、IP…
絶縁材支柱、Ｑ…石英壁、Ｍ…マコール絶縁材、
GV…ガスバルブ、GI…ガス注入口、WI…冷媒
注入口、WO…冷媒注出口、Br…半径方向磁界、
Bn…軸方向磁界、IO1〜IO3…駆動電源接続口、
Wa，Wb，Wc…水冷管。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 陽極および陰極を備えた放電空間に電磁石に
より磁界を印加し、気体を注入して発生させた気
体放電により生成したホールイオンを加速して射
出するホールアクセラレータにおいて、前記陽極
を前記放電空間と同軸の内外二重の円筒形状電極
により構成して当該内外二重の電極間に電界を印
加するとともに前記電極の周わりに設けた補助電
磁石により前記円筒形状の軸方向に磁界を印加し
てマグネトロン配位の補助放電を発生させ、前記
陰極を前記放電空間とそれぞれ同軸の半球状内側
陰極および円環状外側陰極により構成するととも
に前記外側陰極を前記内側陰極より前記ホールイ
オンを射出する方向に突出させたことを特徴とす
るマグネトロン補助放電付ホールアクセラレー
タ。 ２ 特許請求の範囲第１項記載のホールアクセラ
レータにおいて、前記内外二重の円筒形状電極並
びに前記内側陰極および前記外側陰極の内外にそ
れぞれ強制冷却を施したことを特徴とするマグネ
トロン補助放電付ホールアクセラレータ。 ３ 特許請求の範囲第１項または第２項記載のホ
ールアクセラレータにおいて、前記補助電磁石に
おける通電の方向を反転させるようにしたことを
特徴とするマグネトロン補助放電付ホールアクセ
ラレータ。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59182463A JPS6161345A (ja) | 1984-08-31 | 1984-08-31 | マグネトロン補助放電付ホ−ルアクセラレ−タ |
| US06/716,368 US4703222A (en) | 1984-08-31 | 1985-03-26 | Hall accelerator with preionization discharge |
| EP85302181A EP0174058B1 (en) | 1984-08-31 | 1985-03-28 | Hall accelerator with preionization discharge |
| DE8585302181T DE3575237D1 (de) | 1984-08-31 | 1985-03-28 | Hall-beschleuniger mit vorionisationsentladung. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59182463A JPS6161345A (ja) | 1984-08-31 | 1984-08-31 | マグネトロン補助放電付ホ−ルアクセラレ−タ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6161345A JPS6161345A (ja) | 1986-03-29 |
| JPH02814B2 true JPH02814B2 (ja) | 1990-01-09 |
Family
ID=16118702
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59182463A Granted JPS6161345A (ja) | 1984-08-31 | 1984-08-31 | マグネトロン補助放電付ホ−ルアクセラレ−タ |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4703222A (ja) |
| EP (1) | EP0174058B1 (ja) |
| JP (1) | JPS6161345A (ja) |
| DE (1) | DE3575237D1 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04152719A (ja) * | 1990-10-16 | 1992-05-26 | Fujitsu Ltd | 音声検出回路 |
Families Citing this family (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4862032A (en) * | 1986-10-20 | 1989-08-29 | Kaufman Harold R | End-Hall ion source |
| FR2613166B1 (fr) * | 1987-03-24 | 1989-06-23 | Labo Electronique Physique | Dispositif de transmission d'images a haute definition par un canal a bande passante relativement etroite |
| FR2613165B1 (fr) * | 1987-03-24 | 1989-06-23 | Labo Electronique Physique | Systeme de transmission d'images de television a haute definition par un canal a bande passante etroite |
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