JPH0341934B2 - - Google Patents

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JPH0341934B2
JPH0341934B2 JP56018884A JP1888481A JPH0341934B2 JP H0341934 B2 JPH0341934 B2 JP H0341934B2 JP 56018884 A JP56018884 A JP 56018884A JP 1888481 A JP1888481 A JP 1888481A JP H0341934 B2 JPH0341934 B2 JP H0341934B2
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cavity
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resonant layer
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    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/16—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation
    • H01J27/18—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation with an applied axial magnetic field

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)
  • Particle Accelerators (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は荷電されたイオンを生成する方法に係
る。
さらに詳述すれば、本発明は大きなもしくは重
い原子、すなわち二つ以上の電子を有する原子か
ら高度に荷電された大きなイオン、すなわち深層
の電子を含めてすべての電子を失なつた原子を発
生および生成させることのできる方法および装置
に関する。これらの原子は中性でもあるいは予め
イオン化されているものでもよい。高度に荷電さ
れたイオンは物理定数の測定に用いられ、そして
特に科学および医学分野で使用される粒子加速器
を提供することを意図されている。
イオン化のための電子の衝突によつてイオン化
された中性原子を含む気体もしくは金属蒸気から
イオンが得られることは知られている。
イオンを得ることは可能にする方法および装置
あるいはイオン源としては、たとえばアークイオ
ン源、封入イオン源、電子サイクロトロン共鳴イ
オン源など幾つかのものがある。
これらの種々のイオン源から生成することので
きるイオンの量は、二つのプロセス、すなわち、
中性原子の連続的な電子層中におけるイオン化に
よるイオンの形成プロセスと、これらのイオンが
まだイオン化されていない気体から得られる中性
の原子あるいは帯電された粒子が装置の壁に衝突
する際にこの壁面上に生じる中性原子と衝突する
間における単一もしくは多重の再結合による前記
イオンの破壊プロセスとの間での競合によつて形
成される。
したがつて、これらのイオンと中性原子との衝
突を防止してこれらイオンの破壊を避けることが
問題になる。明らかに、通常のポンプを用いてイ
オン源中に高真空を形成することによつて中性原
子の量を減少させることはできるが、この方法に
よつては全ての中性原子を消滅させることはでき
ない。
さらに、これらのイオン源からの粒子は100％
まではイオン化されておらず、すなわち原子は全
てのイオンを失なつていない。これらの原子のイ
オン化を持続するめた、イオンは加速後に厚さ数
ミクロンの薄膜中に通過させられ、あるいは電子
プラズマによつて形成されるターゲツトに通過さ
せられる。高度に荷電されたイオンを得ることの
できるこれらの方法は多少とも複雑であり、した
がつてコストが費さむ。
したがつて本発明の目的は、前記欠点を簡単に
回避することができると共に、特にイオン化され
る気体によつて供給される中性原子ならびに残存
する中性原子を高度真空の形成後においてもほと
んど完全にイオン化することのできる高度に荷電
されたイオンの生成方法を提供することにある。
本発明によれば前記目的は、空胴内を真空に維
持するように構成されており導電性側壁を備えた
超高周波空胴共振器の内部に中性原子の気体を導
入する段階と、所定の周波数を有する少なくとも
一つの超高周波電磁界によつて前記空胴を励起す
る段階と、電子サイクロトロン周波数を備えた少
なくとも一つの閉鎖された共振層を有する合成磁
界を形成すべく、前記空胴に前記空胴共振器の長
手軸と直交する方向に多極径方向磁界を、前記空
胴の中央部分の前記多極径方向磁界の強さが前記
空胴の他の部分の前記多極径方向磁界の強さ及び
前記多極径方向磁界に重畳される傾斜軸方向磁界
と比べて最小となるように印加する段階と、前記
合成磁界の前記少なくとも一つの閉鎖された共振
層を通過する気体のイオン化によつて前記少なく
とも一つの閉鎖された共振層内に限定される一つ
のゾーンに実質的に留められるイオンと電子とを
生成するために、前記少なくとも一つの閉鎖され
た共振層の前記電子サイクロトロン周波数を前記
電磁界の前記周波数と等しくする一方で前記少な
くとも一つの閉鎖された共振層が前記導電性側壁
の内側と当接しないようにかつ実質的に均一な強
さを有するように前記多極径方向磁界及び前記傾
斜軸方向磁界の強さを夫々調節する段階と、前記
空胴共振器の外部に設けられた電極によつて前記
少なくとも一つの閉鎖された共振層と接しないよ
うに前記少なくとも一つの閉鎖された共振層の近
傍であつて前記側壁に設けられた出口を介して前
記空胴から前記イオンを取出す段階とを含む荷電
されたイオンを生成する方法によつて達成され
る。
本発明の荷電されたイオンを生成する方法にお
いては、空胴の中央部分の多極径方向磁界の強さ
が空胴の他の部分の多極径方向磁界の強さ及び多
極径方向磁界に重畳される傾斜軸方向磁界と比べ
て最小となるように多極径方向磁界が印加され、
電子サイクロトロン周波数を電磁界の周波数と等
しくするとともに多極径方向磁界及び傾斜軸方向
磁界の強さを夫々調節することにつて導電性側壁
の内側と当接せずに実質的に均一な強さを有する
少なくとも一つの閉鎖された共振層が空胴内に形
成されるが故に、供給される中性原子の気体が少
なくとも一つの閉鎖された共振層を通過すること
によつて真空に維持された空胴内で中性原子をほ
ぼ完全に高度にイオン化し得、導電性側壁の内側
と当接しない共振層内に限定される一つのゾーン
にイオンを実質的に留め得ることによつて該共振
層の近傍で荷電されたイオンを容易にかつ低コス
トで取出し得る。
超高周波空胴内における超高周波電磁界と軸方
向磁界に結合される電子サイクロトロン周波数が
電磁界の周波数に等しくなるようにその強さが選
択されている前記軸方向磁界との結合によつて中
性原子の高度のイオン化が可能となる。放出され
た電子は電子サイクロトロン共振の結果として大
きく加速される。この電子サイクロトロン共振の
詳細によつては原子エネルギ委員会によつて1971
年７月29日付で出願されたフランス特許出願
71.27812号：「超高周波空胴を用いるイオン源」
に記載されている。
超高周波空胴の中央部分において強さが最小と
なる径方向の多極磁界を軸方向の磁界に重畳させ
ることによつて、生成されたイオンが磁気層に入
つた際に直ちにこれらを閉じ込めることが可能と
なり、したがつて、閉じ込め領域中の中性原子お
よび電子の密度が減少する。すなわち、中性原子
またはすでにイオン化された原子との衝突の結果
として前記磁気層をはなれるイオンおよび電子が
この層上にもたらされる。この閉じ込めの結果と
して電子が同じ原子を何回も加撃してこれを完全
にイオン化する時間が得られる。原子の連続的な
イオン化中に失なわれるエネルギを回収するため
には、電子を共振層に再び通過させることが必要
であり、これが阻止されてはならない。この共振
層によつて中性原子の前記層の中心部への侵入が
防止される。したがつて、この層の近傍で多重荷
電されたイオンの取出しを行なうことができ、イ
オンポンプ面がその場で形成される。
さらに、層内に存在する中性原子の数が極めて
少ないことによつて中性原子と高度に荷電された
原子との間で電荷交換による再結合作用が著しく
減少され、そしてイオンの高度の荷電状態を維持
することが可能になる。
本発明の方法の実施例を実施し得る装置は少な
くとも一つの気体源と、真空ポンプに結合されか
つイオンを取出すことのできる開口部を備えた超
高周波空胴と、軸方向の磁界を発生する装置およ
び空胴の全面領域にわたつて径方向の磁界の分布
を形成する装置と、電磁界を多重モード空胴中に
導入する装置と、イオン化された気体を取出すた
めの電極とイオンを選択するための装置とを備え
ている。
以下本発明の実施例を図面を参照して詳細に説
明する。
第１図は本発明方法を実施することのできる装
置の概要を示し、第２図は第１図に示す装置の腰
部の概要を示す。
第１図中において、二つの図示しない供給源に
よつて予めイオン化されたもしくはイオン化され
ていないイオン化可能な気体が管２および４中に
通過できるようになされており、これらの管は非
連続モードもしくは高次多重モードの、すなわち
大きさが電磁界の波長に比較して大きな共振空胴
を形成する閉じ込め囲い体６に連結されている。
この電磁界は、たとえば断面形状が円形もしくは
長方形の導波管８および１０によつて導入され
る。
任意の形状とすることのできるこの囲い体、す
なわち空胴６は管１２によつて高度の真空を形成
しかつイオンの連続的な取出しを可能にする図示
しない公知の真空ポンプ（拡散ポンプ、タービン
式分子ポンプ、超低温ポンプ等）に接続されてい
る。管２および４、ならびに空胴６の周囲には超
高周波電磁界への重畳によつて電子サイクロトロ
ンの共振を可能にする軸方向に沿う傾斜を有する
傾斜磁界を生成することのできる軸方向のコイル
対、たとえば１４および１６が設けられている。
電子およびイオンは互いに平行に設けられた円
筒状のバー１８によつて発生される空胴中心部の
強さが零である半径方向の多極磁界によつて閉じ
込められる。これらのバー１８は超電導状態にお
くことができる。次いでこれらのものは凝縮によ
つて超低温ポンプ系中に随意に集積されるような
充分低い温度にある冷却液体あるいはチタン蒸気
を含む円筒状の保護チユーブ中におかれる。これ
らのバー１８の一部は多重モードの空胴６を横断
している。
磁界を得るためには任意のその他の方法、特に
永久磁石による方法などを用いることもできる。
径方向の磁界の場合には磁石を真空中におかれ
た円筒状の保護チユーブ中に設けてもよく、また
空胴６の外部に配置してもよい。
第２図は前記装置の内部、特に超高周波空胴６
の内部を図式的に示す。この空胴６には生成され
たイオンを取出すことのできる開口部２０が設け
られている。イオンは電源２４によつてそれらの
間に負の電位差が形成される電極２２によつて空
胴６から取出すことができる。このようにして空
胴６から取出されたイオンはそれらのイオン化の
程度に応じて電界および／または磁界を用いる任
意の公知の手段によつて選択される。第２図には
空胴６と接触しない二つの完全に閉じられた共振
層２６，２８が示されている。
導波管８および１０によつて注入された単一の
電磁界の場合では、内層２６は電子サイクロトロ
ン周波数が電磁界周波数に等しくなるような態様
で共振層に対応するが、一方外層２８はたとえば
電子サイクロトロン周波数が電磁界周波数の２倍
に等しいような一つの調波の共振層に対応する。
周波数の異なる二つの電磁界の場合では、内方
の共振層２６が最低周波数を有する電磁界と対応
するが、一方、外方の共振層２８は最高周波数を
有する電磁界と対応する。
２層の場合においては、内層は主として気体の
強制的なイオン化のために機能し、一方外層は前
記第二の層で取出されるイオンのイオン化された
状態を保持する。唯一つの共振層の場合において
は、イオン化およびイオンの取出しが前記層にお
いて行なわれる。取出し用の開口部２０を層の近
傍に層と開口部とが接触しないようにして設ける
ことにより、イオンの移動を最大限に減少させる
と共に、イオン化される気体の原子もしくは残存
している中性原子と衝突したとことによつてエネ
ルギを失なつた一つまたはそれ以上の電子と再結
合する可能性を減少させることができる。中性原
子の存在は囲い体内部に高度の真空（10-5トール
以下）を形成することによつて制御される。層は
空胴の内壁もしくはその他の壁（取出し用の電
極）と接触していないので、イオンの壁に対する
衝撃による中性原子の再結合や閉じ込められた電
子およびイオンの損失が避けられる。
共振層は図中では楕円形状のものとして示され
ているが、それらの形状が磁界をつくる導体の形
状によつて定められることは明らかであろう。
このような装置によれば、高度に荷電された大
きなイオンのビーム、すなわち幾つかのもしくは
全ての電子を失なつた原子のビームを得ることが
できる。この目的のためには、電磁界によつて送
られる。超高周波電力が適切なものでなければな
らない。容積１の空胴については、原子を高度
のイオン化状態に維持し、かつこれらのイオンを
取出すために1KW以上の超高周波電力が必要で
ある。さらに大きな空胴の場合には、イオン化お
よびイオンの取出しのために必要な電力を幾つか
の導波管によつて空胴中に注入される一つの電磁
界あるいは幾つかの電磁界によつて供給すること
ができる。電磁界の注入を可能にする導波管に
は、気密な絶縁窓が設けられているが、これらの
窓は電磁界の電力を透過させるものでなければな
らない。
特にこの装置によれば、たとえば高度に荷電さ
れたNe+10、Ar+13、およびXe+33のような希ガス
のイオンビーム、さらにはC+6、N+7のようなイ
オンビームを得ることができる。
本発明の方法を3000〜5000ガウスの軸方向の磁
界および０〜5000ガウスの間で変化する径方向の
磁界について実際に実施する際には、電磁界につ
いて10〜14ギガヘルツの間の周波数が選択され
る。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の方法を実施する装置の概要を
示す説明図、第２図は第１図に示す装置の内部状
態を示す説明図である。 ２，４……気体注入用の管、６……共振空胴、
８，１０……導波管、１４，１６……軸方向磁界
用のコイル、１８……径方向磁界用のバー、２０
……イオン取出用の開口部、２２……電極、２
６，２８……共振層。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 空胴内を真空に維持するように構成されてお
    り導電性側壁を備えた超高周波空胴共振器の内部
    に中性原子の気体を導入する段階と、所定の周波
    数を有する少なくとも一つの超高周波電磁界によ
    つて前記空胴を励起する段階と、電子サイクロト
    ロン周波数を備えた少なくとも一つの閉鎖された
    共振層を有する合成磁界を形成すべく、前記空胴
    に前記空胴共振器の長手軸と直交する方向に多極
    径方向磁界を、前記空胴の中央部分の前記多極径
    方向磁界の強さが前記空胴の他の部分の前記多極
    径方向磁界の強さ及び前記多極径方向磁界に重畳
    される傾斜軸方向磁界と比べて最小となるように
    印加する段階と、前記合成磁界の前記少なくとも
    一つの閉鎖された共振層を通過する気体のイオン
    化によつて前記少なくとも一つの閉鎖された共振
    層内に限定される一つのゾーンに実質的に留めら
    れるイオンと電子とを生成するために、前記少な
    くとも一つの閉鎖された共振層の前記電子サイク
    ロトロン周波数を前記電磁界の前記周波数と等し
    くする一方で前記少なくとも一つの閉鎖された共
    振層が前記導電性側壁の内側と当接しないように
    かつ実質的に均一な強さを有するように前記多極
    径方向磁界及び前記傾斜軸方向磁界の強さを夫々
    調節する段階と、前記空胴共振器の外部に設けら
    れた電極によつて前記少なくとも一つの閉鎖され
    た共振層と接しないように前記少なくとも一つの
    閉鎖された共振層の近傍であつて前記側壁に設け
    られた出口を介して前記空胴から前記イオンを取
    出す段階とを含む電荷されたイオンを生成する方
    法。 ２ 前記電磁界が、前記空胴共振器の前記空胴の
    単位容積当りについて1KW／以上の電力を有
    する特許請求の範囲第１項に記載の方法。 ３ 前記多極径方向磁界及び前記傾斜軸方向磁界
    の少なくともいずれか一方が、連続的である特許
    請求の範囲第１項又は第２項に記載の方法。 ４ 前記多極径方向磁界及び前記傾斜軸方向磁界
    の少なくともいずれか一方が、脈動的である特許
    請求の範囲第１項又は第２項に記載の方法。
JP1888481A 1980-02-13 1981-02-10 Method and device for producing large ion highly charged and utility using same method Granted JPS56128600A (en)

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JPS56128600A JPS56128600A (en) 1981-10-08
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