JPH04229996A - 閉電子ドリフトを持つプラズマ加速器 - Google Patents
閉電子ドリフトを持つプラズマ加速器Info
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- JPH04229996A JPH04229996A JP3177223A JP17722391A JPH04229996A JP H04229996 A JPH04229996 A JP H04229996A JP 3177223 A JP3177223 A JP 3177223A JP 17722391 A JP17722391 A JP 17722391A JP H04229996 A JPH04229996 A JP H04229996A
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Classifications
-
- 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
- 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
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般にプラズマ技術に
係り、特に、閉電子ドリフトを持つプラズマ加速器に関
する。
係り、特に、閉電子ドリフトを持つプラズマ加速器に関
する。
【０００２】本発明は、加速イオン流源の製造プロセス
や、真空中で部品を機械加工するために閉電子ドリフト
を持つ加速器を使用する他の装置を設計するために使用
される。
や、真空中で部品を機械加工するために閉電子ドリフト
を持つ加速器を使用する他の装置を設計するために使用
される。
【０００３】
【従来の技術】ガス分布空洞を持つアノードを収容して
いる放電室、その放電室の内部に磁界を発生させるため
の磁気システムから構成されている閉電子ドリフトを持
つプラズマ加速器は、公知である（例えば、モスクワの
Ｍａｓｈｉｎｏｓｔｒｏｅｎｉｅ出版元から１９７３年
に発行されたＬ．Ａ．Ａｒｔｓｉｍｏｖｉｃｈ編集の「
Ｐｌａｚｍｅｎｎｙｅ ｕｓｋｏｒｉｔｅｌｉ」の５
頁から２５頁を参照）。その磁力線は、一次近似でその
放電室内のガス流を横切るようになっている。その放電
室の出口部に近接して、放電室の外側にカソードが設け
られている。これらの加速器は、様々な物質をイオン化
するとともに、それらのイオンを加速し、広範囲の工業
用途に用いられている。
いる放電室、その放電室の内部に磁界を発生させるため
の磁気システムから構成されている閉電子ドリフトを持
つプラズマ加速器は、公知である（例えば、モスクワの
Ｍａｓｈｉｎｏｓｔｒｏｅｎｉｅ出版元から１９７３年
に発行されたＬ．Ａ．Ａｒｔｓｉｍｏｖｉｃｈ編集の「
Ｐｌａｚｍｅｎｎｙｅ ｕｓｋｏｒｉｔｅｌｉ」の５
頁から２５頁を参照）。その磁力線は、一次近似でその
放電室内のガス流を横切るようになっている。その放電
室の出口部に近接して、放電室の外側にカソードが設け
られている。これらの加速器は、様々な物質をイオン化
するとともに、それらのイオンを加速し、広範囲の工業
用途に用いられている。
【０００４】閉電子ドリフトを持つプラズマ加速器は、
次の文献によっても知られている。すなわち、１９７４
年発行の第３版、Ｌ．Ａ．Ａｒｔｓｉｍｏｖｉｃｈ著「
Ｒａｚｒａｂｏｔｋａ ｓｔａｔｓｉｏｎａｒｎｏｇ
ｏ ｐｌａｚｍｅｎｎｏｇｏｄｖｉｇａｔｅｌｙａ
ｉ ｅｇｏ ｉｓｐｙｔａｎｉｅ ｎａ ｉ
ｓｋｕｓｓｔｖｅｎｎｏｍ ｓｐｕｔｎｉｋｅ Ｚ
ｅｍｌｉ “Ｍｅｔｅｏｒ”」Ｋｏｓｍｉｃｈｅｓｋ
ｉｅ ｉｓｓｌｅｄｏｖａｎｉａ，の４５１頁から４
５９頁を参照されたい。このプラズマ加速器は、放電室
の出口部側に環状加速通通路開口を形成している同軸の
内側及び外側円筒素子を含んでいる当該放電室から構成
されている。その加速通路は、少なくとも１個の入口通
路を介してガス供給システムと、そして出口通路を経由
して加速通路と連通している中空アノードを収容してい
る。また、その加速器は、一方の磁極が外側円筒素子を
包含し、他方が内側円筒素子内に配置されている複数の
磁極を持つ磁気システムと、放電室の出口部に近い当該
放電室の外側におかれたカソードを有している。
次の文献によっても知られている。すなわち、１９７４
年発行の第３版、Ｌ．Ａ．Ａｒｔｓｉｍｏｖｉｃｈ著「
Ｒａｚｒａｂｏｔｋａ ｓｔａｔｓｉｏｎａｒｎｏｇ
ｏ ｐｌａｚｍｅｎｎｏｇｏｄｖｉｇａｔｅｌｙａ
ｉ ｅｇｏ ｉｓｐｙｔａｎｉｅ ｎａ ｉ
ｓｋｕｓｓｔｖｅｎｎｏｍ ｓｐｕｔｎｉｋｅ Ｚ
ｅｍｌｉ “Ｍｅｔｅｏｒ”」Ｋｏｓｍｉｃｈｅｓｋ
ｉｅ ｉｓｓｌｅｄｏｖａｎｉａ，の４５１頁から４
５９頁を参照されたい。このプラズマ加速器は、放電室
の出口部側に環状加速通通路開口を形成している同軸の
内側及び外側円筒素子を含んでいる当該放電室から構成
されている。その加速通路は、少なくとも１個の入口通
路を介してガス供給システムと、そして出口通路を経由
して加速通路と連通している中空アノードを収容してい
る。また、その加速器は、一方の磁極が外側円筒素子を
包含し、他方が内側円筒素子内に配置されている複数の
磁極を持つ磁気システムと、放電室の出口部に近い当該
放電室の外側におかれたカソードを有している。
【０００５】これらの公知の加速器は、実質的に高流速
の作動ガスで、イオンの質量Ｍに対して比較的低率のイ
オン化電位φｉを持つイオン化しやすいガスの範囲に関
して、効率的に動作する。そのような作動ガスは、主と
してアルカリ金属すなわち例えばキセノンなどの蒸気を
含んでいる。しかし、アルゴン、窒素、酸素及び他のガ
スについて動作する時と同様に、低流速のガスでキセノ
ンについて動作する時、効率的な運転に対する主条件と
の適合に関する困難性のために、加速性能が悪い。
の作動ガスで、イオンの質量Ｍに対して比較的低率のイ
オン化電位φｉを持つイオン化しやすいガスの範囲に関
して、効率的に動作する。そのような作動ガスは、主と
してアルカリ金属すなわち例えばキセノンなどの蒸気を
含んでいる。しかし、アルゴン、窒素、酸素及び他のガ
スについて動作する時と同様に、低流速のガスでキセノ
ンについて動作する時、効率的な運転に対する主条件と
の適合に関する困難性のために、加速性能が悪い。
【０００６】λμ≦Ｌｋ （１）
【０００７】こ
こで、λμは、イオン化前の原子の自由移動通路、そし
て、Ｌｋは、アノードから放電室の出口部まで測定され
た放電室の長さ、さらに、全通通路におけるプラズマ濃
度の低下及び、熱移動（Ｎｅ＝１／４ｎｅｖｅ，ここで
ｎｅは濃度及びｖｅは電子の熱速度である）によるアノ
ードに対する電子流Ｎｅの大きさの低減によって引き起
こされるアノード電位のジャンプによってさらに悪化さ
せられる。アノード電位ジャンプφａの増加によって、
特に、放電の収縮が生じ、それによって、アノードの出
口通路に、そしてそのアノードの内部に突き抜ける傾向
がある。
こで、λμは、イオン化前の原子の自由移動通路、そし
て、Ｌｋは、アノードから放電室の出口部まで測定され
た放電室の長さ、さらに、全通通路におけるプラズマ濃
度の低下及び、熱移動（Ｎｅ＝１／４ｎｅｖｅ，ここで
ｎｅは濃度及びｖｅは電子の熱速度である）によるアノ
ードに対する電子流Ｎｅの大きさの低減によって引き起
こされるアノード電位のジャンプによってさらに悪化さ
せられる。アノード電位ジャンプφａの増加によって、
特に、放電の収縮が生じ、それによって、アノードの出
口通路に、そしてそのアノードの内部に突き抜ける傾向
がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】これら通路の内側に発
生されたイオンは、アノード壁で中性化される。従って
、放電室内でガスをイオン化するために費やされるエネ
ルギー量が増加する。
生されたイオンは、アノード壁で中性化される。従って
、放電室内でガスをイオン化するために費やされるエネ
ルギー量が増加する。
【０００９】本発明の目的は、放電の収縮を防止し、か
つ放電プラズマから逃げる電子が衝突するアノード部分
の表面積を拡大するように構成されたアノードの出口通
路を有する電子の閉ドリフトを持つプラズマ加速器を提
供することにある。その加速器は、アノード電位ジャン
プを低減するとともに、アノード壁の内表面で中性化さ
れる数少ないイオンによるイオン化損失を少なくする。
つ放電プラズマから逃げる電子が衝突するアノード部分
の表面積を拡大するように構成されたアノードの出口通
路を有する電子の閉ドリフトを持つプラズマ加速器を提
供することにある。その加速器は、アノード電位ジャン
プを低減するとともに、アノード壁の内表面で中性化さ
れる数少ないイオンによるイオン化損失を少なくする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明の目的は、次の構
成によって達成される。すなわち、放電室の出口部側に
開かれた環状加速通路を有する当該放電室と、加速通路
内に固定され、少なくとも１個の出口通路を介してその
加速通路と連通し、さらに少なくとも１個の入口通路を
介して気体供給システムと連通している中空アノードと
、加速通路に磁界を誘導するための磁気システムと、放
電室の出口部の近傍にてその放電室の外側に配置された
カソードとから構成された閉電子ドリフトを持つプラズ
マ加速器であり、本発明によれば、上記出口通路が曲線
状であって、アノードの内部のいずれかの点から加速通
路のいずれかの点に引かれた直線が、少なくとも一度ア
ノードの壁で交差している。
成によって達成される。すなわち、放電室の出口部側に
開かれた環状加速通路を有する当該放電室と、加速通路
内に固定され、少なくとも１個の出口通路を介してその
加速通路と連通し、さらに少なくとも１個の入口通路を
介して気体供給システムと連通している中空アノードと
、加速通路に磁界を誘導するための磁気システムと、放
電室の出口部の近傍にてその放電室の外側に配置された
カソードとから構成された閉電子ドリフトを持つプラズ
マ加速器であり、本発明によれば、上記出口通路が曲線
状であって、アノードの内部のいずれかの点から加速通
路のいずれかの点に引かれた直線が、少なくとも一度ア
ノードの壁で交差している。
【００１１】上記アノードは、アノードの壁に対して或
るクリアランスを持って加速通路内に固定された少なく
とも１個のバッフル板を備えており、上記アノード及び
上記バッフル板が互いに面しているそれらの壁面が、平
坦な平行部分を有するように配列され、一方、出口通路
は、アノード及びバッフル板間の上記クリアランスと、
上記アノードの壁の穴とによって形成され、上記アノー
ドの壁の平坦部分の表面に垂直な上記穴の軸から上記バ
ッフル板の壁の平坦部分の端までの最小距離（Δγ）、
及び上記アノードの壁の平坦部分と上記バッフル板との
間の距離（δ１）が、次の関係にある。
るクリアランスを持って加速通路内に固定された少なく
とも１個のバッフル板を備えており、上記アノード及び
上記バッフル板が互いに面しているそれらの壁面が、平
坦な平行部分を有するように配列され、一方、出口通路
は、アノード及びバッフル板間の上記クリアランスと、
上記アノードの壁の穴とによって形成され、上記アノー
ドの壁の平坦部分の表面に垂直な上記穴の軸から上記バ
ッフル板の壁の平坦部分の端までの最小距離（Δγ）、
及び上記アノードの壁の平坦部分と上記バッフル板との
間の距離（δ１）が、次の関係にある。
【００１２】
Δγ≧ｄ（δ１＋δ２／２）／δ２ （２）
【０
０１３】ここで、ｄは、出口通路内の穴の直径であり、
δ２は、その穴の位置におけるアノードの壁厚である。
０１３】ここで、ｄは、出口通路内の穴の直径であり、
δ２は、その穴の位置におけるアノードの壁厚である。
【００１４】それぞれの大きさ間の上述の関係を満足す
るとき、アノードの内部のいずれかの点から加速通路の
いずれかの点まで引かれた直線が、バッフル板の本体と
交差する。さらに、出口通路の入口部分を穴の形にする
ことで、アノードの最も簡単な構造を具体化している。
るとき、アノードの内部のいずれかの点から加速通路の
いずれかの点まで引かれた直線が、バッフル板の本体と
交差する。さらに、出口通路の入口部分を穴の形にする
ことで、アノードの最も簡単な構造を具体化している。
【００１５】また、本発明の目的は、次の構成によって
も達成される。すなわち、放電室の出口部側に開かれた
環状加速通路を有する当該放電室と、加速通路内に固定
され、少なくとも１個の出口通路を介してその加速通路
と連通し、さらに少なくとも１個の入口通路を介して気
体供給システムと連通している中空アノードと、加速通
路に磁界を誘導するための磁気システムと、放電室の出
口部の近傍にてその放電室の外側に配置されたカソード
とから構成された閉電子ドリフトを持つプラズマ加速器
であり、本発明によれば、上記アノードが、上記放電室
の出口部に面するアノードの壁に近接して、上記放電室
の加速通路内に配置された少なくとも１個のバッフル板
を備え、一方、上記出口通路が、上記アノードの対抗壁
内に設けられており、加速通路の壁からこれらの壁に面
するバッフル板の表面までの最小距離（δ）が、加速通
路の壁から上記アノードの壁までの最小距離（ｓ）より
も小さくなっている。
も達成される。すなわち、放電室の出口部側に開かれた
環状加速通路を有する当該放電室と、加速通路内に固定
され、少なくとも１個の出口通路を介してその加速通路
と連通し、さらに少なくとも１個の入口通路を介して気
体供給システムと連通している中空アノードと、加速通
路に磁界を誘導するための磁気システムと、放電室の出
口部の近傍にてその放電室の外側に配置されたカソード
とから構成された閉電子ドリフトを持つプラズマ加速器
であり、本発明によれば、上記アノードが、上記放電室
の出口部に面するアノードの壁に近接して、上記放電室
の加速通路内に配置された少なくとも１個のバッフル板
を備え、一方、上記出口通路が、上記アノードの対抗壁
内に設けられており、加速通路の壁からこれらの壁に面
するバッフル板の表面までの最小距離（δ）が、加速通
路の壁から上記アノードの壁までの最小距離（ｓ）より
も小さくなっている。
【００１６】このアノード配列により、実質的にアノー
ドが構造的に簡単化されるとともに、バッフル板と放電
室の出口部に対抗する放電室壁との間の付加ガス分布空
洞を備えることによって、放電室の加速通路の横断面の
ガス分布を一層一定にし得る。アノードを構造的に簡単
にすることは、加速通路が複雑な構造を有するとき、例
えば、それが一方向に長くなっているときなどに特に重
要である。
ドが構造的に簡単化されるとともに、バッフル板と放電
室の出口部に対抗する放電室壁との間の付加ガス分布空
洞を備えることによって、放電室の加速通路の横断面の
ガス分布を一層一定にし得る。アノードを構造的に簡単
にすることは、加速通路が複雑な構造を有するとき、例
えば、それが一方向に長くなっているときなどに特に重
要である。
【００１７】提案された加速器は、上記カソードの後方
に配置され、かつ、放電室の出口部に面する膜の面のい
ずれかの点から及び／または上記バッフル板と上記アノ
ードとの間のクリアランスのいずれかの点から、上記放
電室に面する膜の面のいずれかの点まで引かれた直線が
、上記放電室の加速通路の外壁に交差するように配列さ
れた、穴を有する少なくとも１個の当該膜を備えている
。
に配置され、かつ、放電室の出口部に面する膜の面のい
ずれかの点から及び／または上記バッフル板と上記アノ
ードとの間のクリアランスのいずれかの点から、上記放
電室に面する膜の面のいずれかの点まで引かれた直線が
、上記放電室の加速通路の外壁に交差するように配列さ
れた、穴を有する少なくとも１個の当該膜を備えている
。
【００１８】部品表面をイオンプラズマ機械加工する装
置に、加速器を使用するとき、膜が機械加工領域を限定
し、加速器自体を作っている材料の蒸発やスパッタリン
グの結果として、機械加工領域に入る不純物とともに、
部品が機械加工される真空室の壁材料をスパッタリング
することによって形成される不純物流を低減する。さら
に、本発明によって実現される膜は、イオンビームによ
る膜材料のスパッタリング生成物で、バッフル板表面の
汚染を除去し得る。
置に、加速器を使用するとき、膜が機械加工領域を限定
し、加速器自体を作っている材料の蒸発やスパッタリン
グの結果として、機械加工領域に入る不純物とともに、
部品が機械加工される真空室の壁材料をスパッタリング
することによって形成される不純物流を低減する。さら
に、本発明によって実現される膜は、イオンビームによ
る膜材料のスパッタリング生成物で、バッフル板表面の
汚染を除去し得る。
【００１９】
【作用】このアノード配列により、実質的にアノードが
構造的に簡単化されるとともに、バッフル板と放電室の
出口部に対抗する放電室壁との間の付加ガス分布空洞を
備えることによって、放電室の加速通路の横断面のガス
分布を一層一定にし得る。アノードを構造的に簡単にす
ることは、加速通路が複雑な構造を有するとき、例えば
、それが一方向に長くなっているときなどに特に重要で
ある。
構造的に簡単化されるとともに、バッフル板と放電室の
出口部に対抗する放電室壁との間の付加ガス分布空洞を
備えることによって、放電室の加速通路の横断面のガス
分布を一層一定にし得る。アノードを構造的に簡単にす
ることは、加速通路が複雑な構造を有するとき、例えば
、それが一方向に長くなっているときなどに特に重要で
ある。
【００２０】
【実施例】図１を参照する。本発明に係る閉電子ドリフ
トを持つプラズマ加速器は、放電室、及び磁極５，６を
有する磁気システム４から構成される。放電室のハウジ
ングは、その放電室の加速通路３を形成している同軸の
外側及び内側円筒素子１及び２によって形成される。磁
極５は、外側円筒素子１を取り巻いている。一方、磁極
６は、内側円筒素子２に固定されている。放電室の加速
通路３は、出口通路８を介して放電室と連通し、かつ少
なくとも１個の入口通路９を介してガス供給システム（
図示せず）と連通している中空アノード７を収容してい
る。各出口通路８は曲がっており、異なる構造を取り得
る。カソード１０は、放電室の出口部近傍で、その放電
室の外側に配置されている。
トを持つプラズマ加速器は、放電室、及び磁極５，６を
有する磁気システム４から構成される。放電室のハウジ
ングは、その放電室の加速通路３を形成している同軸の
外側及び内側円筒素子１及び２によって形成される。磁
極５は、外側円筒素子１を取り巻いている。一方、磁極
６は、内側円筒素子２に固定されている。放電室の加速
通路３は、出口通路８を介して放電室と連通し、かつ少
なくとも１個の入口通路９を介してガス供給システム（
図示せず）と連通している中空アノード７を収容してい
る。各出口通路８は曲がっており、異なる構造を取り得
る。カソード１０は、放電室の出口部近傍で、その放電
室の外側に配置されている。
【００２１】通路８の曲線構造は、アノード７（図２）
の壁に対してあるクリアランスをもって加速通路３（図
１）内に配置されたバッフル板を有するアノード７（図
２）を設けることによって得られる。バッフル板１１の
数は、異なっていても良く、出口通路８のグループの位
置及び数に依存する。このケースの場合、出口通路８は
、アノード７の壁内でその平坦部に作られた穴、及びア
ノード７とバッフル板１１との間のクリアランスによっ
て形成される。ここで提案された構造に対して好ましい
関係は、次の通りである。
の壁に対してあるクリアランスをもって加速通路３（図
１）内に配置されたバッフル板を有するアノード７（図
２）を設けることによって得られる。バッフル板１１の
数は、異なっていても良く、出口通路８のグループの位
置及び数に依存する。このケースの場合、出口通路８は
、アノード７の壁内でその平坦部に作られた穴、及びア
ノード７とバッフル板１１との間のクリアランスによっ
て形成される。ここで提案された構造に対して好ましい
関係は、次の通りである。
【００２２】
Δγ≧ｄ（δ１＋δ２／２）／δ２ （２）
【０
０２３】ここで、δ２は、アノード７の壁の平坦部分の
厚さであり、Δγは、穴の軸からバッフル板１１の表面
の平坦部分の端１３までの最小距離であり、δ１は、互
いに面しているバッフル板１１とアノード７の表面の平
坦部分との間のクリアランスであり、ｄは、アノード７
の壁の穴の直径である。
０２３】ここで、δ２は、アノード７の壁の平坦部分の
厚さであり、Δγは、穴の軸からバッフル板１１の表面
の平坦部分の端１３までの最小距離であり、δ１は、互
いに面しているバッフル板１１とアノード７の表面の平
坦部分との間のクリアランスであり、ｄは、アノード７
の壁の穴の直径である。
【００２４】これらの関係を満足するとき、アノード７
の内部から加速通路３（図１）の内部に向かって引かれ
た直線１２が、アノード７の方向に面しているバッフル
板１１の平面と交差する。もし、端部１３が穴の軸から
充分に遠くに離れている場合に、この交差が生ずる。こ
こで、Δγの最小の大きさは、直径１２’が端部１３と
接触させられるときの条件に対応する。Δγ＞Δγｍｉ
ｎのとき、アノード７の内部から引かれた直線１２’が
、バッフル板１１の本体と交差する。
の内部から加速通路３（図１）の内部に向かって引かれ
た直線１２が、アノード７の方向に面しているバッフル
板１１の平面と交差する。もし、端部１３が穴の軸から
充分に遠くに離れている場合に、この交差が生ずる。こ
こで、Δγの最小の大きさは、直径１２’が端部１３と
接触させられるときの条件に対応する。Δγ＞Δγｍｉ
ｎのとき、アノード７の内部から引かれた直線１２’が
、バッフル板１１の本体と交差する。
【００２５】バッフル板（図３）は、アノード７とその
バッフル板１１との間に付加ガス分布空洞１４を形成す
るように、区画され得る。また、それは、種々の材料か
ら、かつアノード７の出口部の広がり角αを異なるよう
にして、作ることができる。
バッフル板１１との間に付加ガス分布空洞１４を形成す
るように、区画され得る。また、それは、種々の材料か
ら、かつアノード７の出口部の広がり角αを異なるよう
にして、作ることができる。
【００２６】バッフル板１１（図４）は、ガスを逃がす
ためのスロット通路を形成している細長い円筒面と同軸
であり得る。そこでは、ｌ＞ｂの条件に従うことが良い
。ここで、ｌはバッフル板１１の円筒面の長さであり、
ｂはバッフル板１１の表面とその前に置かれたアノード
７の円筒面との間のクリアランスである。
ためのスロット通路を形成している細長い円筒面と同軸
であり得る。そこでは、ｌ＞ｂの条件に従うことが良い
。ここで、ｌはバッフル板１１の円筒面の長さであり、
ｂはバッフル板１１の表面とその前に置かれたアノード
７の円筒面との間のクリアランスである。
【００２７】アノードの代替変形が図５に示されている
。この図では、アノード７の内部を２個の連続するガス
分布室１７に分割する仕切り１６が設けられている。
。この図では、アノード７の内部を２個の連続するガス
分布室１７に分割する仕切り１６が設けられている。
【００２８】加速通路３（図６）は、例えば、加速通路
の軸に垂直な面内で、細長状になっている。そして、そ
れは、２つの半円部分１８と、２つの直線部分１９とか
ら作られている。また、図６は、放電室の出口部の近傍
の放電室軸に垂直な面におけるイオン電流の軸方向密度
ｊｚの分布を表している曲線２０及び２１を示している
。曲線２０は、加速通路３の直線部分１９に垂直な面に
おけるイオン電流の軸方向密度ｊｚに対応する。一方、
曲線２１は、直線部分１９に平行な面におけるイオン電
流の軸方向密度ｊｚの分布を示している。この場合、ア
ノード７（図７）は、好ましくは管状であって、放電室
の出口部の側に固定されたバッフル板を有し、かつ付加
ガス分布空洞２２を形成するように、反対側にあるアノ
ード壁に作られた出口通路８を有する。加速通路３の壁
からそれらに面するバッフル板１１の表面までの最短距
離δは、加速通路３の壁からアノード７の壁までの距離
ｓよりも小さい。
の軸に垂直な面内で、細長状になっている。そして、そ
れは、２つの半円部分１８と、２つの直線部分１９とか
ら作られている。また、図６は、放電室の出口部の近傍
の放電室軸に垂直な面におけるイオン電流の軸方向密度
ｊｚの分布を表している曲線２０及び２１を示している
。曲線２０は、加速通路３の直線部分１９に垂直な面に
おけるイオン電流の軸方向密度ｊｚに対応する。一方、
曲線２１は、直線部分１９に平行な面におけるイオン電
流の軸方向密度ｊｚの分布を示している。この場合、ア
ノード７（図７）は、好ましくは管状であって、放電室
の出口部の側に固定されたバッフル板を有し、かつ付加
ガス分布空洞２２を形成するように、反対側にあるアノ
ード壁に作られた出口通路８を有する。加速通路３の壁
からそれらに面するバッフル板１１の表面までの最短距
離δは、加速通路３の壁からアノード７の壁までの距離
ｓよりも小さい。
【００２９】さらに、放電室の出口部と反対側でその壁
に２つのグループの出口通路８を持つアノード７（図９
）を使用することもできる。図７、図８及び図９に示さ
れたアノード７の構成は、付加ガス分布空洞２２の設置
を意図しており、さらに、δ＜ｓの条件に従うことが望
ましいより一層一定のガス分布を与えることを意図して
いる。
に２つのグループの出口通路８を持つアノード７（図９
）を使用することもできる。図７、図８及び図９に示さ
れたアノード７の構成は、付加ガス分布空洞２２の設置
を意図しており、さらに、δ＜ｓの条件に従うことが望
ましいより一層一定のガス分布を与えることを意図して
いる。
【００３０】次に、図１０を参照する。提案したプラズ
マ加速器は、カソード１０と機械加工領域２５との間に
配置された穴を持つ膜を有する。放電室に面する膜２４
の表面のいずれかの点から放電室の出口部に面するバッ
フル板１１のいずれかの点まで引かれた直線２６が、加
速通路３の外側壁として働く円筒素子１の本体と交差す
る。従って、放電室の加速通路３の大きさ、膜２４の穴
及び膜２４から加速通路３の出口部までの距離間の関係
が予め選択できる。最も簡単なものでは、放電室の壁が
円筒素子１及び２によって形成されるとき、膜２４の穴
の直径ｄｏは、次の関係を満足する。
マ加速器は、カソード１０と機械加工領域２５との間に
配置された穴を持つ膜を有する。放電室に面する膜２４
の表面のいずれかの点から放電室の出口部に面するバッ
フル板１１のいずれかの点まで引かれた直線２６が、加
速通路３の外側壁として働く円筒素子１の本体と交差す
る。従って、放電室の加速通路３の大きさ、膜２４の穴
及び膜２４から加速通路３の出口部までの距離間の関係
が予め選択できる。最も簡単なものでは、放電室の壁が
円筒素子１及び２によって形成されるとき、膜２４の穴
の直径ｄｏは、次の関係を満足する。
【００３１】
ｄｏ−ｄＨ＝Ｌｇ／ＬＫ（ｄＨ−ｄｍｉｎ）（３）
【０
０３２】ここで、ｄｍｉｎは、放電室の出口部に向かっ
て面するバッフル板１１の素子の最小直径であり、Ｌｇ
は、放電室の出口部からその最小直径の膜２４の部分ま
での距離であり、ＬＫは、バッフル板１１から放電室の
出口部までの距離である。
０３２】ここで、ｄｍｉｎは、放電室の出口部に向かっ
て面するバッフル板１１の素子の最小直径であり、Ｌｇ
は、放電室の出口部からその最小直径の膜２４の部分ま
での距離であり、ＬＫは、バッフル板１１から放電室の
出口部までの距離である。
【００３３】ここで、機械加工領域２５の最大直径Ｄは
、放電室の出口部から次の関係に係るこの領域２５まで
の距離によって決定される。
、放電室の出口部から次の関係に係るこの領域２５まで
の距離によって決定される。
【００３４】
Ｄ＝ｄＨ＋Ｌ（ｄｏ−ｄＨ）／Ｌｇ （４）
【０
０３５】本発明の閉電子ドリフトを持つプラズマ加速器
は、次のようにして動作する。
０３５】本発明の閉電子ドリフトを持つプラズマ加速器
は、次のようにして動作する。
【００３６】１００−１０００Ｖの放電電圧Ｕｐが、ア
ノード７（図１）とカソード１０の間に印加される。ま
た、磁気システムが電磁石（永久磁石も使用され得る）
を有する場合には、その磁気システム４のコイルにも電
圧が印加される。加速通路３内の磁気誘導の大きさは、
０．０１−０．０５Ｔｌ．その後、カソード１０は、動
作態勢に入る（必要ならば過熱され、それがガス放電カ
ソードである場合には、ガスが入れられる）。カソード
を付勢することによって（例えば、ガス放電カソードの
場合には、ガス放電を開始することによって）、放電が
加速器内で開始される。アノード７とカソード１０間の
加速器の主放電の開始によって、アノード７を介して加
速通路３に運び込まれるガスがイオン化され、交差電（
長手方向）磁（横方向）界内で放電グローイングにある
イオンを加速する。加速器の運転条件（ガス流速及び磁
気誘導の大きさ）は、ガスの充分なイオン化及びイオン
のエネルギ（０．５÷０．９）ｅＵｐまでの加速を保証
するように、予め選択される。ここで、ｅは電子の放電
であり、その容積チャージを保証するに充分な量の電子
をカソード１０から捕獲するように働く。従って、Ｕｐ
を変えることによって、加速プラズマ流のイオンエネル
ギを変化させることができる。低ガス流速で運転すると
き、あるいはイオン化しずらいガスを用いるとき、高い
効率のイオン化を得ることは困難である。イオン化の高
い効率を得られない理由は、イオン化前の電子の自由行
程長が次のものになる点にある。
ノード７（図１）とカソード１０の間に印加される。ま
た、磁気システムが電磁石（永久磁石も使用され得る）
を有する場合には、その磁気システム４のコイルにも電
圧が印加される。加速通路３内の磁気誘導の大きさは、
０．０１−０．０５Ｔｌ．その後、カソード１０は、動
作態勢に入る（必要ならば過熱され、それがガス放電カ
ソードである場合には、ガスが入れられる）。カソード
を付勢することによって（例えば、ガス放電カソードの
場合には、ガス放電を開始することによって）、放電が
加速器内で開始される。アノード７とカソード１０間の
加速器の主放電の開始によって、アノード７を介して加
速通路３に運び込まれるガスがイオン化され、交差電（
長手方向）磁（横方向）界内で放電グローイングにある
イオンを加速する。加速器の運転条件（ガス流速及び磁
気誘導の大きさ）は、ガスの充分なイオン化及びイオン
のエネルギ（０．５÷０．９）ｅＵｐまでの加速を保証
するように、予め選択される。ここで、ｅは電子の放電
であり、その容積チャージを保証するに充分な量の電子
をカソード１０から捕獲するように働く。従って、Ｕｐ
を変えることによって、加速プラズマ流のイオンエネル
ギを変化させることができる。低ガス流速で運転すると
き、あるいはイオン化しずらいガスを用いるとき、高い
効率のイオン化を得ることは困難である。イオン化の高
い効率を得られない理由は、イオン化前の電子の自由行
程長が次のものになる点にある。
【００３７】
λｕ＝Ｖａ／＜δμ・Ｖｅ＞ｎｅ （５）
【００
３８】ここで、Ｖａは原子の平均長手方向速度であり、
＜δｕＶｅ＞は、速度Ｖｅについて分布する電子の関数
によって平均化されたイオン化速度の係数であり、ｎｅ
は放電室内の平均電子濃度である。
３８】ここで、Ｖａは原子の平均長手方向速度であり、
＜δｕＶｅ＞は、速度Ｖｅについて分布する電子の関数
によって平均化されたイオン化速度の係数であり、ｎｅ
は放電室内の平均電子濃度である。
【００３９】アルゴン、窒素または酸素を用いると、電
子及びイオンの匹敵しうるエネルギを持つλｕの大きさ
は、数倍大きなものとなる。一方、＜δｕＶｅ＞及びｎ
ｅの大きさは、キセノンを用いるときよりも少なくとも
数倍小さくなる。従って、上述の条件（１）は、ｎｅの
大きさを増すことによってのみ満たされる。そして、そ
れは、主として流量密度または電流密度に依存し、固定
エネルギでは、放電電力に依存する。しかし、それらを
増大することは制限がある。従って、そのようなガスで
運転するとき、放電室内のガス原子のイオン化のような
ものは低い。その状況は、キセノンを低流量密度及び放
電電圧で使用するとき、及び電子のエネルギが効率的イ
オン化に不充分であるときにも、似ている。
子及びイオンの匹敵しうるエネルギを持つλｕの大きさ
は、数倍大きなものとなる。一方、＜δｕＶｅ＞及びｎ
ｅの大きさは、キセノンを用いるときよりも少なくとも
数倍小さくなる。従って、上述の条件（１）は、ｎｅの
大きさを増すことによってのみ満たされる。そして、そ
れは、主として流量密度または電流密度に依存し、固定
エネルギでは、放電電力に依存する。しかし、それらを
増大することは制限がある。従って、そのようなガスで
運転するとき、放電室内のガス原子のイオン化のような
ものは低い。その状況は、キセノンを低流量密度及び放
電電圧で使用するとき、及び電子のエネルギが効率的イ
オン化に不充分であるときにも、似ている。
【００４０】そのような条件下では、プロセスが、アノ
ードプラズマ電位の正降下、アノード７の出口通路８の
放電収縮、及び放電回路の強い発振を伴い、それによっ
て放電が出口通路８を介してアノード７の内部に突き抜
けることが実験でわかった。アノード７の内部に形成さ
れたイオンの壁での中性化は、より多くのエネルギ消費
と、加速器効率の低下をもたらす。
ードプラズマ電位の正降下、アノード７の出口通路８の
放電収縮、及び放電回路の強い発振を伴い、それによっ
て放電が出口通路８を介してアノード７の内部に突き抜
けることが実験でわかった。アノード７の内部に形成さ
れたイオンの壁での中性化は、より多くのエネルギ消費
と、加速器効率の低下をもたらす。
【００４１】ここで示した本発明によれば、イオン化効
率が増加し、上述の損失が低減される。図３、図４、図
５、図７、図８及び図９に示されたバッファ板１１は、
放電のアノードの内部への突き抜けを防止し、プラズマ
がバッファ板１１とアノード７の表面間の狭いクリアラ
ンスに沿って移動する際に、イオンの再結合によって生
ずるアノード７の出口通路８における放電収縮を防止す
るように構成されている。
率が増加し、上述の損失が低減される。図３、図４、図
５、図７、図８及び図９に示されたバッファ板１１は、
放電のアノードの内部への突き抜けを防止し、プラズマ
がバッファ板１１とアノード７の表面間の狭いクリアラ
ンスに沿って移動する際に、イオンの再結合によって生
ずるアノード７の出口通路８における放電収縮を防止す
るように構成されている。
【００４２】さらに、図２及び図５に示されたアノード
７は、バッファ板１１によって、それらの通路を逸脱す
る作動ガス原子の長手方向の速度を実質的に低下させ、
長手方向速度を径方向速度に変換することができる。こ
の場合に、原子は、放電室の壁と繰り返し衝突した後に
のみ、その放電室を出て行く。それは、関係式（５）に
従って、イオン化行程λｕの長さを低減し、作動ガスの
原子を一層イオン化され易くする。
７は、バッファ板１１によって、それらの通路を逸脱す
る作動ガス原子の長手方向の速度を実質的に低下させ、
長手方向速度を径方向速度に変換することができる。こ
の場合に、原子は、放電室の壁と繰り返し衝突した後に
のみ、その放電室を出て行く。それは、関係式（５）に
従って、イオン化行程λｕの長さを低減し、作動ガスの
原子を一層イオン化され易くする。
【００４３】Δγの大きさは、イオンが直接アノード７
の出口通路８に突き抜けるのを防止し、かつ作動ガスの
原子の直接逃避を不可能にするため、関係式（２）に従
って予め設定される。バッフル板１１を持つアノード７
を使用することによって、加速電圧１００乃至５００Ｖ
の範囲内で２０乃至４５％の全般効率レベルで、イオン
化率が１０乃至１５％だけ低下させられるときの条件下
で運転する加速器の高効率が、保証される。
の出口通路８に突き抜けるのを防止し、かつ作動ガスの
原子の直接逃避を不可能にするため、関係式（２）に従
って予め設定される。バッフル板１１を持つアノード７
を使用することによって、加速電圧１００乃至５００Ｖ
の範囲内で２０乃至４５％の全般効率レベルで、イオン
化率が１０乃至１５％だけ低下させられるときの条件下
で運転する加速器の高効率が、保証される。
【００４４】上述の如く、本発明は、加速器の効率を増
加させ得る。
加させ得る。
【００４５】製造プロセス、例えば、部品面を機械加工
するためにここに提案した加速器を使用することは、一
定の表面処理を確保する問題と関係してくる。
するためにここに提案した加速器を使用することは、一
定の表面処理を確保する問題と関係してくる。
【００４６】この問題は、細長い横断面を有する加速通
路３（図６）を用いることによって、例えば、それを２
つの半円及び２つの直線部分１８及び１９として形づく
ることによって、部分的に解決することができる。この
場合、この方法の電流密度の長手方向成分ｊｚの分布は
、均等化され、それによって上述の方向に横切って部品
を移動することで、一層一定の機械加工が行われる。 しかし、加速通路３のそのような構成は、アノード７（
図１）の製作を非常に複雑にする。妥当な方法は、管状
アノード７（図７乃至図９）を用いることである。放電
のアノード７の内部への貫通は、放電室の出口部方向に
面するアノード７の壁に近傍してバッフル板１１を置く
こと、及びその反対側の壁に出口通路８を設けることで
より小さくなる。また、シールド効果を与えるために、
バッフル板１１の横断面形状は、アノード７の残りの横
断面、すなわち、円筒素子１，２間の距離よりも大きく
なければならない。そして、バッフル板１１の最も近い
面は、アノード７の壁と上記円筒素子１，２との間の対
応する距離よりも短いことが好ましい。上述の配置は、
アノードプラズマからのイオンのアノード７の内部への
突き抜けを防止するという利点を有する。一方、放電室
のハウジングとアノード７との間の付加ガス分布空洞２
２の形状のため、適切なガス分布が得られる。
路３（図６）を用いることによって、例えば、それを２
つの半円及び２つの直線部分１８及び１９として形づく
ることによって、部分的に解決することができる。この
場合、この方法の電流密度の長手方向成分ｊｚの分布は
、均等化され、それによって上述の方向に横切って部品
を移動することで、一層一定の機械加工が行われる。 しかし、加速通路３のそのような構成は、アノード７（
図１）の製作を非常に複雑にする。妥当な方法は、管状
アノード７（図７乃至図９）を用いることである。放電
のアノード７の内部への貫通は、放電室の出口部方向に
面するアノード７の壁に近傍してバッフル板１１を置く
こと、及びその反対側の壁に出口通路８を設けることで
より小さくなる。また、シールド効果を与えるために、
バッフル板１１の横断面形状は、アノード７の残りの横
断面、すなわち、円筒素子１，２間の距離よりも大きく
なければならない。そして、バッフル板１１の最も近い
面は、アノード７の壁と上記円筒素子１，２との間の対
応する距離よりも短いことが好ましい。上述の配置は、
アノードプラズマからのイオンのアノード７の内部への
突き抜けを防止するという利点を有する。一方、放電室
のハウジングとアノード７との間の付加ガス分布空洞２
２の形状のため、適切なガス分布が得られる。
【００４７】加速器（図１０）の機械加工領域２５に入
る不純物、及びイオン流の周辺部分からのイオンが衝突
する真空室の側壁からの不純物の流れを減少させること
が必要なときには、膜２４を持つ加速器を用いることが
好ましい。その膜２４は、スパッタリングされる材料が
機械加工領域２５に入らずに、かつ機械加工の質に影響
を与えないように、形づくられる必要がある。さらに、
この材料を貫通しても、加速器の性能特性に影響を与え
ない、特に、この材料を置くことでバッフル板１１の機
能に影響を与えないことが望ましい。材料の原子が直線
通路に沿って移動する際、放電室に面する膜２４の表面
２７のいずれかの点２７から、放電室の出口部に面する
バッフル板１１の表面におけるいずれかの点に向かって
、またはバッフル板１１と出口通路８の位置にあるアノ
ード７の壁部分との間のクリアランス内のいずれかの点
に向かって、引かれた直線が、外側の円筒素子１の壁と
交差する場合には、それらは運転に影響を与えない。 バッフル板１１の表面からスパッタリングされ、バッフ
ル板１１上に衝突しかつバッフル板１１とアノード７と
の間のクリアランスに入る傾向のある材料は、外側円筒
素子１の外部に置かれ、バッフル板１１の通常の機能に
影響を与えない。
る不純物、及びイオン流の周辺部分からのイオンが衝突
する真空室の側壁からの不純物の流れを減少させること
が必要なときには、膜２４を持つ加速器を用いることが
好ましい。その膜２４は、スパッタリングされる材料が
機械加工領域２５に入らずに、かつ機械加工の質に影響
を与えないように、形づくられる必要がある。さらに、
この材料を貫通しても、加速器の性能特性に影響を与え
ない、特に、この材料を置くことでバッフル板１１の機
能に影響を与えないことが望ましい。材料の原子が直線
通路に沿って移動する際、放電室に面する膜２４の表面
２７のいずれかの点２７から、放電室の出口部に面する
バッフル板１１の表面におけるいずれかの点に向かって
、またはバッフル板１１と出口通路８の位置にあるアノ
ード７の壁部分との間のクリアランス内のいずれかの点
に向かって、引かれた直線が、外側の円筒素子１の壁と
交差する場合には、それらは運転に影響を与えない。 バッフル板１１の表面からスパッタリングされ、バッフ
ル板１１上に衝突しかつバッフル板１１とアノード７と
の間のクリアランスに入る傾向のある材料は、外側円筒
素子１の外部に置かれ、バッフル板１１の通常の機能に
影響を与えない。
【００４８】
【発明の効果】本発明によれば、放電の収縮が防止され
、かつ放電プラズマから逃げる電子が衝突するアノード
部分の表面積を拡大された構成のアノードの出口通路を
有するプラズマ加速器が得られる。
、かつ放電プラズマから逃げる電子が衝突するアノード
部分の表面積を拡大された構成のアノードの出口通路を
有するプラズマ加速器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る閉電子ドリフトを持つプラズマ加
速器の構造図ある。
速器の構造図ある。
【図２】バッフル板を備えた放電室の出口部に面する部
品を示す図である。
品を示す図である。
【図３】区画バッフル板を持つアノードの変形例を示す
図である。
図である。
【図４】ガスが逃げるスロット通通路を形成している細
長い同軸円筒面を持つバッフル板を備えた変形例を示す
図である。
長い同軸円筒面を持つバッフル板を備えた変形例を示す
図である。
【図５】仕切りを備えたアノードの変形構造図ある。
【図６】細長い加速通路を備えた放電室の代替実施例を
示す図である。
示す図である。
【図７】放電室の出口部の側に配置されたバッフル板を
持ち、アノードの反対側の壁に設けられた出口通路を有
するアノードの変形例を示す図である。
持ち、アノードの反対側の壁に設けられた出口通路を有
するアノードの変形例を示す図である。
【図８】放電室の出口部と反対側のアノード壁内に２系
統の出口通路を持つアノードの変形例を示す図である。
統の出口通路を持つアノードの変形例を示す図である。
【図９】アノード壁と絶縁されたバッフル板を持つアノ
ードの変形例を示す図である。
ードの変形例を示す図である。
【図１０】膜の概略的配置を示す図である。
１，２ 円筒素子
３ 加速器
５，６ 磁極
７ アノード
８ 出口通路
９ 入口通路
１０ カソード
１１ バッフル板
１５ スロット
２２ ガス分布空洞
２３ 誘導体挿入物
２４ 膜
Claims (4)
- 【請求項１】 放電室の出口部側に開かれた環状加速
通路を有する当該放電室と、加速通路内に固定され、少
なくとも１個の出口通路を介してその加速通路と連通し
、さらに少なくとも１個の入口通路を介して気体供給シ
ステムと連通している中空アノードと、加速通路に磁界
を誘導するための磁気システムと、放電室の出口部の近
傍にてその放電室の外側に配置されたカソードとから構
成された閉電子ドリフトを持つプラズマ加速器において
、上記出口通路が曲がっており、アノードの内部のいず
れかの点から加速通路のいずれかの点に引かれた直線が
、少なくとも一度アノードの壁で交差することを特徴と
するプラズマ加速器。 - 【請求項２】 請求項１に記載の加速器において、上
記アノードが、アノードの壁に対して或るクリアランス
を持って加速通路内に固定された少なくとも１個のバッ
フル板を備えており、上記アノード及び上記バッフル板
が互いに面しているそれらの壁面が、平坦な平行部分を
有するように配列され、一方、出口通路は、アノード及
びバッフル板間の上記クリアランスと、上記アノードの
壁の穴とによって形成され、上記アノードの壁の平坦部
分の表面に垂直な上記穴の軸から上記バッフル板の壁の
平坦部分の端までの最小距離（Δγ）、及び上記アノー
ドの壁の平坦部分と上記バッフル板との間の距離（δ１
）が、次の関係にあることを特徴とするプラズマ加速器
。 Δγ≧ｄ（δ１＋δ２／２）／δ２ ここで、ｄは、
出口通路内の穴の直径であり、δ２は、その穴の位置に
おけるアノードの壁厚である。 - 【請求項３】 放電室の出口部側に開かれた環状加速
通路を有する当該放電室と、加速通路内に固定され、少
なくとも１個の出口通路を介してその加速通路と連通し
、さらに少なくとも１個の入口通路を介して気体供給シ
ステムと連通している中空アノードと、加速通路に磁界
を誘導するための磁気システムと、放電室の出口部の近
傍にてその放電室の外側に配置されたカソードとから構
成された閉電子ドリフトを持つプラズマ加速器において
、上記アノードが、上記放電室の出口部に面するアノー
ドの壁に近接して、上記放電室の加速通路内に配置され
た少なくとも１個のバッフル板を備え、一方、上記出口
通路が、上記アノードの対抗壁内に設けられており、加
速通路の壁からこれらの壁に面するバッフル板の表面ま
での最小距離（δ）が、加速通路の壁から上記アノード
の壁までの最小距離（ｓ）よりも小さいことを特徴とす
るプラズマ加速器。 - 【請求項４】 請求項２または３のいずれかに記載の
加速器において、上記カソードの後方に配置され、かつ
、放電室の出口部に面する膜の面のいずれかの点から及
び／または上記バッフル板と上記アノードとの間のクリ
アランスのいずれかの点から、上記放電室に面する膜の
面のいずれかの点まで引かれた直線が、上記放電室の加
速通路の外壁に交差するように配列された、穴を有する
少なくとも１個の当該膜を備えていることを特徴とする
プラズマ加速器。
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