JPH046060B2

JPH046060B2 -

Info

Publication number: JPH046060B2
Application number: JP59100341A
Authority: JP
Inventors: Deronei Maruku; Guarandori Rune; Gureru Rishaaru; Jakuo Kuroodo; Rudoitsugu Hooru; Masone Jannmaruku; Rotsuko Jannkuroodo; Surume Pieeru; Zadoorunii Furansowa; Burugu Furansowa
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1983-05-20
Filing date: 1984-05-18
Publication date: 1992-02-04
Also published as: DE3473377D1; EP0127523A1; JPS6041735A; FR2546358B1; FR2546358A1; US4638216A; EP0127523B1; CA1232375A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は電子サイクロトロン共鳴イオン源に関
するものである。それは抽出されるイオンの運動
のエネルギの異なる値の関数としてのいろいろな
応用を有するとともに、薄層スパツタ、マイクロ
エツチ、イオン注入、核融合炉のプラズマの高速
中性子による加熱、タンデム加速器、シンクロサ
イクロトロンなどに使用される。

（従来の技術）電子サイクロトロン共鳴イオン源では、イオン
は空洞に作られる高周波電磁界と前記空洞内で顕
著な合成磁界との組合せ作用の結果として、超高
周波空洞内に含まれる気体または固体の蒸気を強
く電離することによつて作られる。また磁界は電
子サイクロトロン共鳴条件B_r＝ｆ・2πｍ／ｅを満足する大きさB_rを有する。ただしｍは電子の質両、
ｅはその電荷、ｆは電磁界の周波数である。この
共鳴は生成される電子を強く加速させることがで
き、したがつて気体または蒸気の中性原子に対す
る衝撃によつて、後者を強く電離させることがで
きる。

サイクロトロン共鳴源の作動は、本出願人の名
で出願された米国特許第4417178号に詳しく説明
されている。

例えばバークリ（Berckeley）（1974年10月）
の「イオン源およびイオン・ビーム形成に関する
シンポジウムの議事録」においてアール・ゲラー
（R.Geller）、シー・ジヤコウ（C.Jacquot）、およ
びピー・サーメツト（P.Sermet）が説明し、ま
た北オランダ出版社196の1982年発行の「核計測
器および方法」の第325頁から第329頁まででエ
フ・ブア（F.Bourg）、アール・ゲラー（R.
Geller）、ビー・ジヤコウ（B.Jacqout）、テイ
ー・ミラー（T.Lamy）、エム・ポントニヤ（M.
Pontonnier）およびジエー・シー・ロコ（J.C.
Rocco）が説明したような、これまでの電子サイ
クロトロン共鳴イオン源の構造は、磁気ミラー配
位の助けを借りたプラズマの閉じ込めに基づく。
最初の引用文献による構造では、磁気ミラー配位
は３群のコイルによつて得られる。

第１図はこのイオン源を構成する主な素子の位
置表示を重ねることによる先行技術によるイオン
源の中心軸に沿う距離と関数としての磁界曲線を
示すグラフである。第１図に示される通り、コイ
ルによつて供給される磁界１の曲線はコイルの第
１群２および第３群４の位置で２つの最大値を有
するとともに、コイルの第２群３の位置でこれら
２つの最大値の間に１つの最小値を有し、前記第
２群は逆磁界を供給する。

最大値はサイクロトロン共鳴に対応する磁気誘
導値B_rよりも高く、共振は２つの最大値の中間
に得られる。かくて、プラズマは前記磁界の最大
値の中間に置かれるイオン源の区域内に作られか
つ閉じ込められる。前記イオン源の磁気誘導の最
大値および最小値はこの場合、それぞれ4200ガウ
スならびに3200ガウスである。電子サイクロトロ
ン共鳴は3600ガウスで起こり、注入される高周波
の周波数は約10GHzで固定される。

プラズマ内に作られたイオンは、磁界の第２の
最大値の下流に置かれる電極によつて構成される
抽出装置５によつて最終的に抽出される。さら
に、前述の例のように、イオン抽出装置が第２磁
界最大値の下流に置かれかつ第２磁界最大値が減
少されるならば、イオン源から出るイオン電流は
それに比例して減少される。

強いイオン電流を得るために、イオンはサイク
ロトロン共鳴界と略同じ大きさの磁界で抽出され
る。イオン・ビームがコイル群により作られた磁
界内に放出されかつ磁界がイオン源の第２コイル
の下流から突然除去されると、イオンは横エネル
ギを得てイオン・ビームは発散し、その結果その
光特性は破壊される。この効果はブツシユの定理
に説明されている。

イオン源の下流のビームの光特性を保持するた
めには、イオン使用位置または、イオンを中性粒
子に変換させる位置まで、イオン・ビームのあら
ゆる滑動空間において磁界を一定に保つ必要があ
る。前述の例では、一定に保つべき磁界は約3600
ガウスの誘導に相当するが、前記磁界を作るコイ
ル６によつて消費される電気エネルギは約１メガ
ワツトである。

低エネルギのイオン（1KeV以下）を用いる場
合は、抽出装置は高密度イオンを抽出することが
不可能である。密度を増大させるために、イオン
源の下流においてイオン・ビームを圧縮すること
ができる。磁界はイオン・ビームを圧縮するため
に比例して増加されなければならない。かくて、
イオン電流密度の増加は、この大きさの磁界を作
ることに関して起こる技術的問題によつて制限さ
れる。

要するに、先行技術のイオン源は磁界配位のエ
ネルギ消費が極めて大きいという不利を受ける一
方、低運動エネルギのイオン電流の密度増加は大
きな磁界を必要とする。

（発明の要約）本発明の目的はこれらの不利を除去することで
ある。このために、本発明は電子サイクロトロン
共鳴イオン源においてプラズマの磁界配位による
閉じ込めの変形を提供し、これにより先行技術の
イオン源の磁界よりもずつと弱い磁界内でイオン
を抽出することができる。

本発明は電子サイクロトロン共鳴イオン源に関
し、特に、磁界配位中で作られかつその中に閉じ
込められるプラズマを構成する気体または物質の
蒸気を容れる空洞内に超高周波電力を注入する装
置と、イオン抽出装置とを有する電子サイクロト
ロン共鳴イオン源において、磁界配位が２群のコ
イルによつて構成され、超高周波注入器の気密の
窓によつて形成される平面内に置かれる第１群は
プラズマを閉じ込める磁界を供給する一方、第１
群のコイルとは逆磁界を供給する第２群コイルは
イオン抽出装置を囲むことを特徴とする。

イオン源の１つの好適な実施例によれば、イオ
ン抽出装置の下流に取り付けられかつ第１群と同
じ方向の電流を供給される第３群のコイルは抽出
されたイオン・ビームを圧縮するように抽出装置
の磁界よりも強い磁界を供給する。

もう１つの特徴により、コイルのすべての群に
より供給される磁界はコイルの第１群の位置にお
けるサイクロトロン共鳴の最大値よりも大きな最
大値を有し、かつ磁界がコイルの第２群の位置で
最小値まで減少する一方、２群のコイルの中間に
おいてサイクロトロン共鳴に対応する磁気誘導
B_rの値を通過する。

イオン源のもう１つの実施例により、イオン源
の抽出装置の位置は、抽出位置での弱い磁界がコ
イルの第１群によつてのみ供給されるように選択
される。

イオン源のなおもう１つの実施例により、超高
周波注入装置は数個の超高周波注入器によつて構
成され、これらの各注入器は１群のコイルによつ
て囲まれ、これらのコイルは各注入器の気密な窓
によつて形成される平面内に置かれるもう１つの特徴により、プラズマを閉じ込める
磁界配位はさらに、永久磁石によつて構成される
多極磁界配位をも含む。

もう１つの特徴により、サイクロトロン共鳴に
対応する磁界は、超高周波注入装置とイオン源の
空洞との接続点の約数cm下流での距離で得られ
る。

もう１つの特徴により、気体の注入はイオン抽
出装置付近の下流側で行われる。

もう１つの特徴により、イオン抽出装置は１個
の電極によつて構成される。

本発明によるイオン源のもう１つの実施例によ
り、プラズマを構成する気体は重水素であり、ま
たコイルの第２群の位置における磁界は数百ガウ
ス程度である。

本発明は、以下の実施例に関し付図を用いて詳
しく説明される。

（実施例）第２ａ図はイオン源の中心軸に沿う電子サイク
ロトロン共鳴イオン源の１つの実施例の簡潔化さ
れた断面形を示す。真空空洞９において、例えば
回転円筒の形で、一端は超高周波電力注入器８を
取り付け、他端はイオン利用位置に接続されてい
る。空洞９はイオン源の特性の関数としてランダ
ムな形状を有することができるのに注目すべきで
ある。特に、超高周波電力注入装置８は数個の超
高周波注入器によつて構成される。気体または蒸
気は１７に導入されるが、これはイオン抽出装置
の下流およびその付近で２×10^-3〜２×10^-3トリ
チエリーの低い圧力の下でプラズマを形成するの
に役立つ。

軸方向の静磁界は、空洞を囲むコイルによつて
加えられる。磁気制限界を供給するために空洞を
囲む永久磁石を用いることもできる。

超高周波界の脈動ωが磁界内の電子サイクロト
ロン共鳴の脈動に等しければ、プラズマが作られ
る。

イオン源のもう１つの実施例では、プラズマは
別の位置で作られ、次に空洞９に注入される。プ
ラズマはコイルの２群１１，１２によつて得られ
る磁界配位内に閉じ込められる。コイルの第１群
１１は、超高周波注入器８の気密の窓１３により
形成される平面内に置かれて注入器８を囲む。

コイルの第２群12はコイルの第１群の下流の所
定距離に置かれ、第１群のコイルとは逆磁界を生
じる電流を供給される。

第２ｂ図に示される通り、コイルのこれら２群
の合計は、コイルの第１群11の位置で最大値を持
つ磁界を供給する。この値は電子サイクロトロン
光鳴に対応する値B_rを越える。磁界はコイルの
第２群12の位置で最小値まで減少する。

ちなみに、磁界はサイクロトロン共鳴に対応す
る磁界の値B_rに達する。抽出位置の磁界がコイ
ルの第１群によつてのみ供給されるように、コイ
ルの第１群と抽出装置との間の距離を選択するこ
とも可能である。

磁界の断面形状は、電子サイクロトロン共鳴が
超高周波電力注入器と空洞との接続部の数cmほど
下流に起こるように選択される。さらに、共鳴区
域は窓１３から十分離れていて、この点で作られ
るプラズマ１０は窓までほとんど拡散せず、した
がつて窓を損傷する危険のないことが保証され
る。さらに、共鳴は空洞の壁から十分離れてい
て、プラズマ密度に減少がないことが保証され
る。

１群を構成するコイルの数は、供給すべき磁界
に左右される。プラズマの磁気閉じ込めの好適な
実施例では、コイルの第１群11と第２群12との間
に多極磁界配位が具備されている。

第３図は第２ａ図のＡ−Ａに沿う断面におい
て、補助磁気閉じ込めの６極配列を示す。プラズ
マ１０は、プラズマを囲む空洞の円筒部分の回り
にリング状に分布されかつ交互極性を持つ永久磁
石１８によつて作られる磁力線により閉じ込めら
れる。

プラズマを形成する気体が重水素である場合
は、超高周波界の脈動の周波数はほぼ10GHzであ
り、したがつて電子サイクロトロン共鳴は誘導
B_r＝3600ガウスにおいて生じる。

コイルの第１群の位置における誘導B_naxの最
大幅は約5000ガウスに選択されることが望まし
く、コイルの第２群の位置における値は数百ガウ
ス程度に選択されることが望ましい。イオン抽出
装置１４は第２群を構成するコイル内に置かれ
る。

本発明によるイオン源においては、抽出装置の
位置においてこの磁気誘導値はサイクロトロン共
鳴に対応する誘導Brの値の10％未満であること
が注目される。抽出装置は１個の電極の形である
ことができる。

本発明によるイオン源および抽出装置１４の位
置ぎめと共に実施された試験は、イオン抽出装置
５（第１図）がプラズマに閉じ込め用磁界の第２
最大値の下流に置かれる先行技術によるイオン源
について実施された試験の場合と違つて、抽出さ
れたイオンの電流が抽出位置での磁気誘導値に比
例しないことを示した。比較し得る条件の下で、
本発明によるイオン源から出たイオン電流は在来
のイオン源のそれの２倍である。

単位容積当たりの超高周波電力を増加すると、
イオン電流は増加する。そのとき、より大きなイ
オン電流を抽出し、すなわち空洞の幅および直径
を減少することが可能であり、これは「小形空
洞」の使用につながるが、ただしサイクロトロン
共鳴がガイドから数cmの空洞内にあるものとする
（空洞変移）。

抽出されたビーム１６の放射方向の均一性が著
しく改善され、また本発明によるこの磁界配位で
作られたプラズマ１０の安定性は先行技術ののそ
れよりも大きいことも判明している。

イオン源から抽出されたビームは、抽出装置１
４に加えられる磁界よりも強い磁界を加えること
によつて、抽出電極の下流で圧縮されることが見
出されている。イオン電流の密度は加えられた磁
界に比例して増加する。

この磁界は第２図に示される通り、コイルの第
３群１５によつて作られる。イオン抽出位置の磁
界は、イオン源の上流のイオン・ビームの光特性
を保持または増大するように極めて弱く、それに
は先行技術のイオン源に用いられる磁界よりもず
つと低い磁界を供給するコイルで事が足りる。

上述の例では、これらのコイルのエネルギ消費
はフアクターとして10以上減少されるので、エネ
ルギ節約は顕著である。

イオン・ビームの光特性に関するもう１つの面
により、磁界を加える位置の十分手前で磁界を除
去することができ、しかもその特性は少しも劣化
しない。ブツシユの定理に示される影響が無視で
きるようになるのは、磁界が比較的弱いからであ
る。これはイオン源の下流でのさらに有意義なエ
ネルギ節約につながり、全寸法は数多いコイルの
除去により減少される。

【図面の簡単な説明】

第１図は先行技術のイオン源の中心軸に沿う距
離の関数として磁界曲線を示すグラフに前記イオ
ン源を構成する主な様子の幾つかの位置を表わす
図を重ねたものであり、第２ａ図はイオン源の中
心軸を含む平面内の部分における本発明による電
子サイクロトロン共鳴イオン源を示す図であり、
第２ｂ図は本発明によるイオン源の中心軸に沿う
距離の関数としての磁界の断面図を示すグラフで
あり、第３図は第２図の矢印に沿う断面の形でプ
ラズマの補助磁気閉じ込めの６極配列を示す図で
ある。主な符号の説明、１……磁界曲線；２，３，
４，６……コイル；５，１４……イオン抽出装
置；８……超高周波電力注入装置；９……空洞；
１０……プラズマ；１１，１２，１５……コイ
ル；１３……窓；１８……永久磁石。

Claims

【特許請求の範囲】１プラズマ１０生成物質のガスまたは蒸気を容
れる空洞９と、該空洞の一端から超高周波電力を
注入する装置８と、イオン抽出装置１４とを有す
る電子サイクロトロン共鳴イオン源７であつて、
前記プラズマは磁界配位中で作られて該磁界配位
中に閉じ込められ、前記超高周波電力注入装置８
は気密な窓１３を持つものにおいて、前記磁界配位は２群のコイル１１，１２によつ
て作られ、第１群コイル１１は前記超高周波電力注入装置
８の気密窓１３で規定される平面内にあつて該装
置を囲むように配置されてプラズマを閉じ込める
磁界を供給し、第２群コイル１２はイオン抽出装置１４を囲む
ように配置されて第１群コイルに関して逆磁界を
生じる電流を供給され、イオン源中心軸上において両群コイル１１，１
２により供給される磁界の磁束密度は第１群コイ
ルの位置におけるサイクロトロン共鳴による磁界
の最大値よりも大きい最大値を持ち、かつ、イオ
ン抽出装置１４の位置において最小値に減少し、
両群コイル１１，１２の中間においてサイクロト
ロン共鳴に対応する磁界の磁束密度B_rを経由す
ることを特徴とする、電子サイクロトロン共鳴イオン源。２イオン抽出装置１４の下流には第３群コイル
１５が取り付けられ、該第３群コイルは、第１群
コイルと同符号の電流を供給され、かつイオン抽
出装置１４により抽出されたイオン・ビームを圧
縮するために、イオン抽出装置の位置において、
第２群コイルにより作られる磁界よりも強い磁界
を作ることを特徴とする、第１項記載のイオン
源。３前記プラズマ閉じ込め用磁界配位が、さらに
複数個の永久磁石によつて構成される多極磁界配
位を含むことを特徴とする、第１項記載のイオン
源。４前記サイクロトロン共鳴に対応する磁界が、
超高周波電力注入装置８と本イオン源の空洞９と
の接合点の数cm下流の距離において到達されるこ
とを特徴とする、第１項記載のイオン源。５前記ガスまたは蒸気の注入１７が、イオン抽
出装置近くの上流側で行われることを特徴とす
る、第１項記載のイオン源。６前記イオン抽出装置が、単一の電極で構成さ
れることを特徴とする、第１項記載のイオン源。７前記プラズマ生成用ガスが重水素であり、か
つ前記イオン抽出装置１４の位置における磁界の
磁束密度が約数10^-2テスラであることを特徴とす
る、第１項記載のイオン源。８前記超高周波電力注入装置が、複数個の超高
周波電力注入器から構成され、各注入器は１群の
コイルに取り囲まれ、該コイルは各注入器の気密
窓により規定される平面内にあることを特徴とす
る、第１項記載のイオン源。