JPH05159894A

JPH05159894A - 負イオン源

Info

Publication number: JPH05159894A
Application number: JP3322216A
Authority: JP
Inventors: Shiro Asano; 史朗浅野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-12-06
Filing date: 1991-12-06
Publication date: 1993-06-25

Abstract

(57)【要約】【目的】負イオンビームの生成量の多い負イオン源を
提供する。【構成】負イオン引出孔である貫通孔１０５が形成さ
れ、放電プラズマを閉じ込める放電容器１０１に設けら
れた電極１０４に、放電プラズマを閉じ込める第１の磁
石１１２ａ，…，１１３ａ，…と磁気カスプ線が整合す
るように着磁され且つ負イオン引出孔の近傍に磁気フィ
ルタが形成されるように第２の磁石１１４ａ，１１４
ｂ，１１４ｃを設けるように構成したことにより、放電
容器１０１内に形成される放電プラズマ閉じ込め磁界の
磁気カスプ線が負イオンを引き出す電極１０４部分でも
連続したものとなり、また磁気フィルタが貫通孔１０５
の近傍に形成されるので、放電容器１０１内での放電プ
ラズマ密度の低下が防止でき、磁気フィルタを介しての
負イオンの生成が助長されて負イオンビームの生成量が
多くなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、負イオンを発生する負
イオン源に関する。

【０００２】

【従来の技術】負イオン源は、例えばプラズマ加熱に高
エネルギーの原子ビームを必要とする核融合炉におい
て、負イオンの中性化効率が良好である点からＮＢＩ
（NeutralBeam Injection：中性粒子入射）加熱装置の
イオン源として注目されている。

【０００３】このような負イオン源の従来技術について
図５を参照して説明する。図５は日本原子力研究所発行
の「ＪＡＥＲＩ−Ｍ−９０−１５４：ＡＲＥＶＩＥＷ
ＯＦＪＡＥＲＩＲ＆ＤＡＣＴＩＶＩＴＩＥＳ
：ＯＮＴＨＥＮＥＧＡＴＩＶＥ−ＩＯＮ−ＢＡＳ
ＥＤＮＥＵＴＲＡＬＢＥＡＭＩＮＪＥＣＴＩＯＮ
ＳＹＳＴＥＭＡＵＧＵＳＴ１９９０」の１５頁に
記載されたものの概略構成を示す断面図である。

【０００４】図において放電プラズマを内部に形成する
放電容器１は上板２と４面の側壁３とを有し、底面に開
口を有する方形の箱状容器であって、その底面開口は側
壁３に絶縁材を介して取り付けられた放電プラズマから
負イオンを引き出す第１の電極４で閉塞されており、こ
の第１の電極４には負イオン引出孔である多数の貫通孔
５が設けられている。さらに第１の電極４の外側には第
２，第３の電極６，７がそれぞれ絶縁され離隔して配置
され、第２，第３の電極６，７にも多数の貫通孔８，９
が第１の電極４の貫通孔５に対応するように形成されて
いる。また放電容器１内の上板２および側壁３の内面近
傍には、陽極を上板２および側壁３とするようにして陰
極を形成するフィラメント１０が配設されている。

【０００５】また、上板２には放電容器１内に片端部が
開口するガス導入管１１が取り付けられ、上板２の外面
には複数の角棒状の磁石１２が平行となるように配設さ
れている。なお磁石１２は上板２の外面に直角な方向に
着磁され隣接するものどうしが異なる極性となるように
配列されている。さらに側壁３の外面にも複数の角棒状
の磁石１３が水平方向にそれぞれ平行となるように、ま
た同様に側壁３の外面に直角な方向に着磁され隣接する
ものが交互に異なる極性となるように配列されている。
さらにまた側壁３の下部の外面には、この外面に直角な
方向で且つ隣接する磁石１３と同じ方向に着磁された磁
石が着磁方向に積み重ねられ、対向する側壁３で異なる
磁極が対向するようにして形成されたフィルタ磁石１４
が設けられている。

【０００６】なお、１５は放電プラズマ閉じ込め磁界を
形成する磁石１２，１３及びフィルタ磁石１４の磁力線
であり、また磁石１３とフィルタ磁石１４とによる放電
容器１を横切る磁界によって磁気フィルタが形成され、
この磁気フィルタによって放電容器１内は上板２側に第
一室１６、第１の電極４側に第二室１７が区画される。

【０００７】このように構成したものでは、いわゆる体
積生成法と呼ばれる方法によって負水素イオン（以下、
Ｈ⁻と記す）が生成される。Ｈ⁻の生成は２段階の原子
反応からなるとされ、Ｈ₂ ＋ｅ⁻（ｆ）→Ｈ^＊ ₂＋ｅ⁻ ……（１）Ｈ^＊ ₂＋ｅ⁻（ｓ）→Ｈ⁻ ＋Ｈ ……（２）の（１）式で示されるように水素ガス分子が数１０ｅＶ
の高温電子との衝突によって高振動レベルに励起され、
さらに（２）式で示されるように１ｅＶ以下の低温電子
が解離的に付着することによってＨ⁻は生成される。

【０００８】すなわち、ガス導入管１１を通じて放電容
器１内に水素ガスを供給した状態で、フィラメント１０
の陰極と上板２および側壁３の陽極の間に直流アーク放
電を発生させ、この放電によって放電容器１内に放電プ
ラズマを生成する。一方、放電容器１内は、磁気フィル
タが、例えば２００〜３００ガウス・ｃｍ程度の磁界強
度を有するように設けられていることによって、プラズ
マ電子のエネルギ分布の異なる２つの領域に分割され
る。なお２００〜３００ガウス・ｃｍ程度の磁気フィル
タの磁界強度は放電プラズマ閉じ込め用磁石１２，１３
の磁界強度の数１０分の１程度である。

【０００９】また、水素イオンの磁界中でのラーマ半径
が磁気フィルタの厚みに対して大きいため、水素イオン
は磁気フィルタを通り抜けることができ、第一室１６か
ら第二室１７に移動することができる。そして水素イオ
ンの移動はプラズマ電子の両極性拡散を引き起こすが、
高温電子は磁気フィルタに捕捉されるため第一室１６か
ら第二室１７に移動することができず、電子のうちで低
温電子のみが第一室１６から第二室１７に水素イオンと
共に流入する。これにより第一室１６と第二室１７との
間に電子のエネルギ分布の違いができ、分布の差により
主として第一室１６では（１）式で示される振動励起反
応が、第二室１７では（２）式で示される解離付着反応
が起こされる。

【００１０】そして第二室１７に生成されたＨ⁻と電子
は、第１の電極４及び第２，第３の電極６，７によって
所定のエネルギとなるように貫通孔５，８，９を通過し
ながら加速され、ビームとして負イオン源から引き出さ
れる。

【００１１】しかしながら上記の従来技術においては、
側壁３の外面に直角な方向に着磁され積み重ねるように
設けられたフィルタ磁石１４によって磁気フィルタが構
成されることになり、これによって、上板２及び側壁３
に交互に異なる極性を有するように配列された磁石１
２，１３で形成された磁気カスプ線が、途中で切断され
ることになる。このため第一室１６で生成された放電プ
ラズマの密度が低下し、引き出せる負イオンビーム量が
減少してしまう等の欠点があった。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記のような磁気フィ
ルタを形成することによって放電プラズマ閉じ込め磁界
の磁気カスプ線が途中で切断され、放電プラズマの密度
が低下して負イオンビーム量が減少してしまう状況に鑑
みて本発明はなされたもので、その目的とするところ
は、放電プラズマ閉じ込め磁界の磁気カスプ線を途中で
切断することなく連続させるようにし、放電プラズマ密
度の低下を防止して負イオンビーム量が減少しないよう
にし、負イオンビームの生成量の多い負イオン源を提供
することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の負イオン源は、
放電容器と、この放電容器内に放電プラズマを閉じ込め
るように配設された第１の磁石と、放電プラズマから負
イオンを放電容器外に引き出すように設けられた電極
と、この電極に形成された負イオン引出孔とを備える負
イオン源において、電極が第１の磁石の磁気カスプ線に
整合するように着磁され且つ負イオン引出孔の近傍に磁
気フィルタを形成する第２の磁石を具備していることを
特徴とするものである。

【００１４】

【作用】上記のように構成された負イオン源は、負イオ
ン引出孔が形成され、放電容器に設けられた電極に、放
電プラズマを閉じ込める第１の磁石と磁気カスプ線が整
合するように着磁され且つ負イオン引出孔の近傍に磁気
フィルタが形成されるように第２の磁石を設けるように
構成したことにより、放電容器内に形成される放電プラ
ズマ閉じ込め磁界の磁気カスプ線が負イオンを引き出す
電極部分でも連続したものとなり、また磁気フィルタが
負イオン引出孔の近傍に形成されるので、放電容器内で
の放電プラズマ密度の低下が防止でき、磁気フィルタを
介しての負イオンの生成が助長されて負イオンビームの
生成量が多くなる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００１６】先ず、第１の実施例を図１及び図２により
説明する。図１は縦断面図であり、図２は拡大して示す
部分断面図である。図において放電プラズマが内部に形
成される放電容器１０１は、円形の上板１０２と円筒状
の側壁１０３を有し、底面に開口を有する容器であっ
て、その底面の開口は側壁１０３に絶縁材を介して取り
付けられた放電プラズマから負イオンを引き出す第１の
電極１０４で閉塞されており、この第１の電極１０４に
は負イオン引出孔を形成する多数の貫通孔１０５が設け
られている。さらに第１の電極１０４の外側には第２，
第３の電極１０６，１０７がそれぞれ絶縁され離隔して
配置され、第２，第３の電極１０６，１０７にも多数の
貫通孔１０８，１０９が第１の電極１０４の貫通孔１０
５に対応するように形成されている。

【００１７】また、側壁１０３には、放電容器１０１内
に片端部が開口し、図示しないマイクロ波発生源から放
電容器１０１内に２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導入す
るマイクロ波導入系１１０が設けられ、上板１０２に
は、放電容器１０１内に片端部が開口し、図示しないガ
ス源から放電容器１０１内に水素ガスを導入するするガ
ス導入管１１１が取り付けられている。

【００１８】また、上板１０２の外面部には中央部に磁
石１１２ａが設けられると共に、これを中心にして同心
に円環状の磁石１１２ｂ，１１２ｃが設けられ、側壁１
０３の外面部にも円環状の磁石１１３ａ，１１３ｂ，１
１３ｃ，１１３ｄが水平方向にそれぞれ平行となるよう
に設けられている。さらに第１の電極１０４にもその外
面部に中央部に磁石１１４ａが設けられると共に、これ
を中心にして同心に円環状の磁石１１４ｂ，１１４ｃが
設けられている。そして各磁石１１２ａ，１１２ｂ，１
１２ｃ，１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄ，１
１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃは各取着部の面に直角な方
向、すなわち放電容器１０１の内方に向かう方向に着磁
され、隣接するものどうしが異なる極性となるように配
列されている。

【００１９】これらの各磁石１１２ａ，１１２ｂ，１１
２ｃ，１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄ，１１
４ａ，１１４ｂ，１１４ｃにより放電プラズマ閉じ込め
磁界が形成され、磁気カスプ線は連続したものとなる。
なお１１５はこれらの磁力線の主たるものを示し、１１
６は等磁束密度線である。

【００２０】また、磁石１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃ
は、導入されるマイクロ波の周波数によって決まる共鳴
磁界１１７が第１の電極１０４の内部に形成されるよう
に、第１の電極１０４の放電容器１０１の内部側に対向
する面から所定の距離を設けるようにして配置されてい
る。なお共鳴磁界１１７の大きさはマイクロ波の周波数
に依存し次式で与えられるもので、Ｂ＝２πｍｆ／ｅＢ：共鳴磁界の磁束密度ｍ：電子の質量ｆ：マイクロ波の周波数ｅ：電荷素量から本実施例では共鳴磁界１１７の磁束密度は８７５ガ
ウスとなる。

【００２１】そして、磁石１１４ａ，１１４ｂ，１１４
ｃの磁界によって第１の電極１０４の貫通孔１０５の近
傍に磁気フィルタが形成される。さらにこの磁気フィル
タに区画されることによって上板１０２側の放電容器１
０１内、すなわち放電プラズマ閉じ込め磁界を形成する
磁力線１１５の内側に第一室１１８が形成され、第１の
電極１０４の貫通孔１０５の近傍に第二室１１９が形成
される。なお第一室１１８では共鳴磁界１１７がその内
部に形成されるが、第二室１１９では内部に形成される
ことがない。

【００２２】このように構成したものでは、放電容器１
０１内をガス導入管１１１を通じて容器内部に水素ガス
を供給して所定条件の雰囲気にした後、マイクロ波をマ
イクロ波導入系１１０を通じて導入する。これによりマ
イクロ波は周波数に応じた共鳴磁界１１７でプラズマ電
子と共鳴し、マイクロ波電界により電子を高エネルギに
加速し、この相互作用によって放電容器１０１内に放電
プラズマが生成する。

【００２３】そして、放電プラズマは各磁石１１２ａ，
１１２ｂ，１１２ｃ，１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，
１１３ｄ，１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃの形成する磁
界によって閉じ込められ、水素イオンは磁気フィルタを
通り抜けることによって第一室１１８から第二室１１９
に移動する。水素イオンの移動によりプラズマ電子の両
極性拡散が引き起こされ、高温電子は磁気フィルタに捕
捉されて第一室１１８から第二室１１９に移動すること
ができないが、低温電子のみが第一室１１８から第二室
１１９に水素イオンと共に流入する。

【００２４】これにより第一室１１８と第二室１１９と
の間に電子のエネルギ分布の違いができ、この分布の差
により第一室１１８では従来技術で説明した（１）式で
示される振動励起反応が、第二室１１９では（２）式で
示される解離付着反応が起こされる。なお、第二室１１
９には共鳴磁界１１７が存在しないように磁石１１４
ａ，１１４ｂ，１１４ｃを配置しているが、もしも第二
室１１９内に共鳴磁界１１７が存在したとする場合に
は、電子温度が上昇して（２）式に示す解離付着反応の
起こる割合が減少し、さらに水素原子の電子親和力が
０．７５ｅＶ程度であることから、仮にＨ⁻が生成され
た場合でも高エネルギに加速された電子との衝突で再び
Ｈ⁻は水素原子と電子に分解してしまい、Ｈ⁻を多量に
生成することができないことになる。

【００２５】このようにして第二室１１９に生成された
Ｈ⁻は、第１の電極１０４及び第２，第３の電極１０
６，１０７によって所定のエネルギとなるように貫通孔
１０５，１０８，１０９を通過しながら加速され、ビー
ムとして負イオン源から引き出される。なおＨ⁻と共に
第二室１１９から流出する電子は、第１の電極１０４に
設けられた磁石１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃが第１の
電極１０４と第２の電極１０６との間に形成する磁界に
よって捕捉される。

【００２６】上記の通り構成された本実施例によれば、
第１の電極１０４に磁石１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃ
が設けられていることによって、貫通孔１０５の放電容
器１０１の内部側に磁気フィルタが形成されると共に、
磁石１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ，１１３ａ，１１３
ｂ，１１３ｃ，１１３ｄ，１１４ａ，１１４ｂ，１１４
ｃの磁力線１１５の形成する磁気カスプ線は連続するこ
とになり、これによって放電プラズマが磁界内に閉じ込
められ、その密度が低下することがない。そして放電プ
ラズマの密度低下が起こらないため、第二室１１９でＨ
⁻が多量に生成され、第１の電極及び第２，第３の電極
１０６，１０７によって加速されて負イオンビームとし
て多量に引き出される。

【００２７】なお、本実施例では２．４５ＧＨｚのマイ
クロ波を用いているがこれに限定されるものではなく、
使用する周波数に対応して第１の電極１０４に設ける磁
石の位置を変えることで同様の効果が得られ、また負イ
オンを引き出すための電極の数及び上板１０２や側壁１
０３さらには第１の電極１０４に設ける磁石の数も、実
施例に限定されるものではない。

【００２８】次に、第２の実施例を図３及び図４により
説明する。図３は縦断面図であり、図４は拡大して示す
部分断面図である。図において放電プラズマが内部に形
成される放電容器１２１は、方形の上板１２２と４面の
側壁１２３を有し、底面に開口を有する箱状容器であっ
て、その底面の開口は側壁１２３に絶縁材を介して取り
付けられ放電プラズマから負イオンを引き出す第１の電
極１２４で閉塞されており、この第１の電極１２４には
負イオン引出孔を形成する多数の貫通孔１２５が設けら
れている。さらに第１の電極１２４の外側には第２，第
３の電極１２６，１２７がそれぞれ絶縁され離隔して配
置され、第２，第３の電極１２６，１２７にも多数の貫
通孔１２８，１２９が第１の電極１２４の貫通孔１２５
に対応するように形成されている。また放電容器１２１
内の上板１２２および側壁１２３の内面近傍には、陽極
を上板１２２および側壁１２３とするようにして陰極を
形成するフィラメント１３０が配設されている。

【００２９】また、上板１２２には放電容器１２１内に
片端部が開口し、図示しないガス源から放電容器１２１
内に水素ガスを導入するガス導入管１３１が取り付けら
れている。

【００３０】また、上板１２２の外面部には複数の角棒
状の磁石１３２がそれぞれ平行となるように配設され、
側壁１２３の外面部にも複数の角棒状の磁石１３３が水
平方向にそれぞれ平行となるように設けられている。さ
らに第１の電極１２４にもその外面部に複数の角棒状の
磁石１３４がそれぞれ平行となるように配設されてい
る。そして各磁石１３２，１３３，１３４は各取着部の
面に直角な方向、すなわち放電容器１２１の内方に向か
う方向に着磁され、隣接するものどうしが異なる極性と
なるように配列されている。なお放電プラズマからのビ
ームの引き出しを容易にするために、第１の電極１２４
の磁石１３４には上板１２２及び側壁１２３の磁石１３
２，１３３よりも残留磁束の小さいものを用いる。

【００３１】そして、これらの各磁石１３２，１３３，
１３４により放電プラズマ閉じ込め磁界が形成され、磁
気カスプ線は連続したものとなる。なお１３５はこれら
の磁力線の主たるものを示し、１３６は等磁束密度線で
ある。

【００３２】また、磁石１３４によって作られる第１の
電極１２４に沿って放電容器１２１を横切る磁界によっ
て、第１の電極１２４の貫通孔１２５の近傍に磁気フィ
ルタが形成される。そしてこの磁気フィルタに区画され
ることによって上板１２２側の放電容器１２１内、すな
わち放電プラズマ閉じ込め磁界を形成する磁力線１３５
の内側に第一室１３７が形成され、第１の電極１２４の
貫通孔１２５の近傍に第二室１３８が形成される。

【００３３】このように構成したものでは、放電容器１
２１内をガス導入管１３１を通じて容器内部に水素ガス
を供給して所定条件の雰囲気にし、フィラメント１３０
の陰極と上板１２２および側壁１２３の陽極の間に直流
アーク放電を発生させ、この放電によって放電容器１２
１内に放電プラズマを生成する。

【００３４】そして、放電プラズマは各磁石１３２，１
３３，１３４の形成する磁界によって閉じ込められ、水
素イオンは磁気フィルタを通り抜けることによって第一
室１３７から第二室１３８に移動する。水素イオンの移
動によりプラズマ電子の両極性拡散が引き起こされ、高
温電子は磁気フィルタに捕捉されて第一室１３７から第
二室１３８に移動することができないが、低温電子のみ
が第一室１３７から第二室１３８に水素イオンと共に流
入する。

【００３５】これにより第１の実施例と同様に主として
第一室１３７と第二室１３８とで、それぞれ振動励起反
応と解離付着反応が起こり、第二室１３８に生成された
Ｈ⁻は、第１の電極１２４及び第２，第３の電極１２
６，１２７によって所定のエネルギとなるように貫通孔
１２５，１２８，１２９を通過しながら加速され、ビー
ムとして負イオン源から引き出される。なおＨ⁻と共に
第二室１３８から流出する電子は、第１の電極１２４に
設けられた磁石１３４が第１の電極１２４と第２の電極
１２６の間に形成する磁界によって捕捉される。

【００３６】上記の通り構成された本実施例によれば、
第１の電極１２４に磁石１３４が設けられていることに
よって、貫通孔１２５の放電容器１２１の内部側に磁気
フィルタが形成されると共に、磁石１３２，１３３，１
３４の磁力線１３５の形成する磁気カスプ線は連続する
ことになり、第１の実施例と同様の効果が得られる。

【００３７】なお、本発明は上記の各実施例に記載され
たもののみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しな
い範囲内で適宜変更して実施し得るものである。

【００３８】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は、放電容器に取着された負イオン引出孔が形成された
電極に、放電プラズマを閉じ込める磁石と磁気カスプ線
が整合するように着磁され且つ負イオン引出孔の近傍に
磁気フィルタが形成されるように磁石を設ける構成とし
たことにより、放電プラズマ閉じ込め磁界の磁気カスプ
線が連続したものとなり、放電プラズマ密度の低下が防
止でき、負イオンビーム量が減少しない、負イオンビー
ムの生成量の多い負イオン源が提供できる等の効果を奏
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の概略構成を示す縦断面
図である。

【図２】第１の実施例の拡大して示す部分断面図であ
る。

【図３】本発明の第２の実施例の概略構成を示す縦断面
図である。

【図４】第２の実施例の拡大して示す部分断面図であ
る。

【図５】従来例の概略構成を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１０１…放電容器１０４…第１の電極１０５…貫通孔（負イオン引出孔）１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ，１１３ａ，１１３ｂ，
１１３ｃ，１１３ｄ…磁石（第１の磁石）１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃ…磁石（第２の磁石）１１５…磁力線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】放電容器と、この放電容器内に放電プラ
ズマを閉じ込めるように配設された第１の磁石と、前記
放電プラズマから負イオンを前記放電容器外に引き出す
ように設けられた電極と、この電極に形成された負イオ
ン引出孔とを備える負イオン源において、前記電極が前
記第１の磁石の磁気カスプ線に整合するように着磁され
且つ前記負イオン引出孔の近傍に磁気フィルタを形成す
る第２の磁石を具備していることを特徴とする負イオン
源。