JPH05205648A

JPH05205648A - 同軸電磁波投入および電子サイクトロン共鳴イオン源

Info

Publication number: JPH05205648A
Application number: JP4243601A
Authority: JP
Inventors: Bernard Jacquot; ジャックオベルナール
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1991-09-11
Filing date: 1992-09-11
Publication date: 1993-08-13
Also published as: US5350974A; FR2681186A1; DE69206543D1; FR2681186B1; DE69206543T2; EP0532411A1; EP0532411B1

Abstract

(57)【要約】【目的】電磁波の伝播を攪乱することなく、前イオン
化プラズマを封じ込められたプラズマから隔離し、電場
を最適状態にし、安定したイオン源を提供する。【構成】同軸電磁波投入、電子サイクトロン共鳴イオ
ン源。本発明は、電子とイオンプラズマを収容する囲い
（１）と、前記囲いを包囲し、該囲い内への封入を保証
する半径方向および軸方向の２個の磁場を形成させる磁
気構造（１１）とを有するＥＣＲイオン源に関する遷移
空洞（２０）が第１、第２ダクト（２１，５２）により
囲いに連結され、電磁波の囲いへの伝播を確実にしてい
る。第１ダクトは導電性であり、第２ダクトは第１ダク
トの中心に位置し、部分的に導電性であり、前イオン化
ガスの囲い内への導入を許している。囲いと第２ダクト
とは、同じ極性を有する２個の電力供給源に連結されて
いる。本発明は粒子加速器の分野で応用される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、特に多電荷イオンを製
造させる電子サイクトロン共鳴（ＥＣＲ）イオン源の改
良に関する。

【０００２】

【従来の技術とその問題点】本発明は、イオン注入、マ
イクロエッチングの分野、特に、科学、医療両分野にお
いて使用される粒子加速器において、製造されるイオン
の運動エネルギーの種々の値に応じて多くの分野に適用
される。電子サイクトロン共鳴イオン源においては、イ
オンは、超高周波空洞のような密封された囲い内におい
て、１種以上のガスまたは金属蒸気から構成されたガス
状媒体を、電子サイクトロン共鳴により強く加速された
電子によりイオン化することにより得られる。この共鳴
は、イオン化すべきガスを収容した囲い内へ投入された
高周波電磁場と、同じ囲い内で優勢であり、その振幅Ｂ
がＥＣＲ条件Ｂ＝２πｍ／ｅｅ：電子の電荷ｍ：質量Ｆ：電磁場の周波数を満足する電磁場との組み合わせ作用の結果として得ら
れる。

【０００３】これらのイオン源においては、製造され得
るイオンの量は、２個のプロセス、すなわち、一方は、
イオン化すべきガスを構成する中性原子に電子を衝突さ
せることによるイオンの形成と、他方は、イオンが中性
原子と衝突するときの１回または多数回の再結合による
同じイオンの破壊との間の競争の結果として決まる。こ
の中性原子は、まだイオン化されていないガスから得る
ことが出来るし、または、イオンが囲いの壁に衝突する
ことにより該壁上において製造されることも出来る。

【０００４】この欠点は、形成されたイオンを、イオン
化に使われる電子と共に、イオン源を構成する囲いの中
に封じ込めることにより回避される。このことは、囲い
の壁と接触せず、電子サイクトロン共鳴条件が満足され
る所謂「等磁気」面を画定する半径方向、軸方向の磁気
波を、囲い内に創り出すことにより実現される。この面
はラグビーボールに類似の形状をもっている。前記等磁
気面が囲いの壁に近づく程、中性原子の存在空間が制限
され、従って、中性原子とイオンとの衝突の量が制限さ
るから、効率が良くなる。この面はまた、ガスのイオン
化により生じるイオンと電子とを封じ込めることを可能
にする。この封じ込めの結果として、創り出された電子
は、同じイオンに数回衝突し、それを完全にイオン化す
る時間をもつことになる。かかるイオン源は、本出願人
の名で１９８９年３月１３日に出願され、ＦＲ−Ａ−２
５９５８６８として公告された文献に記載されてい
る。

【０００５】図１は従来のイオン源を図解的に示してい
る。このイオン源は、高周波（ＨＦ）電磁場により励起
される共鳴空洞を構成する囲い１を有している。この電
磁場は、電磁波発生器３により形成され、導波管５と遷
移空洞２０によって囲い１内へ導入される。このイオン
源はまた、外部シールドされた磁気構造７，９，１１を
有し、そのシールド１１は、ＥＣＲに有効な囲い１内の
空間のみを磁化することを可能にしている。シールド１
１を別として、前記磁気構造はまた、囲い１の回りに配
置され、それぞれ、半径方向の磁場と、軸方向の磁場と
を創造する永久磁石７とソレノイド９とを有している。
これら２個の磁場は、重ね合わされ、囲い全体に分布さ
れる。従って、これら磁場は、囲い１内に等磁気面を画
定する合成磁場１３を形成する。イオン源の長手方向軸
でもある磁気軸１５は、シールド１１に設けられた２個
の開口１７，１８を通ってシールド１１を横切り、各開
口はそれぞれ、イオンを囲い１から引き出し、また、電
磁波およびガス状または固体状の資料を導入することを
可能にしている。第１、第２ダクト２１，２３は、シー
ルド１１の開口１９を、立方体状の遷移空洞２０の側面
に位置する開口２５，２７にそれぞれ連結させている。

【０００６】これら２個のダクト２１，２３の直径の比
率は、これらが約８５オームのインピーダンスをもつ同
軸ケーブルに相当するようになっている。かかる同軸ケ
ーブルは好ましくは、電磁場Ｅが波の進行方向を横切
り、コンダクタすなわちダクト２１，２３の表面に垂直
になっているＴＥＭモードの電磁波を進行させる。ガス
をイオン化するには、ガスが、遷移空洞２０の開口２７
に連結されたガスダクト３０を介して囲い１内へ導入さ
れる。空洞２０へ導入されたガスと電磁波とは、第１、
第２ダクト２１，２３により囲い１内へと伝送され、こ
れらダクトは、電磁波を囲い内へ伝送し、それを長手軸
１５に沿って投入することを可能にする作用を有してい
る。

【０００７】棒状でダクト２３内へ導入された固体資料
からイオンを作ることも可能である。以下の記述におい
て、ガスのイオン化の１例が使用されている。囲い１内
において、軸方向磁場と電磁場との組み合わせは、導入
されたガスを強くイオン化することを可能にする。製造
された電子は、次に、電子サイクトロン共鳴により強く
加速され、等磁気面１３により画定された空間内に封じ
込められた高温の電子プラズマを形成させることにな
る。囲い１内に形成されたイオンは、そこから、電極３
１と囲い１との間に加えられた電圧差により形成された
電子引きだし場によって、引き出される。電極３１と囲
い１とは、電力源３３に連結され、電極３１は囲い１の
開口１７の外側に位置されている。

【０００８】イオン流の強さを点検するには、電磁波発
生器に連結された電力供給源３７の上流に置かれたパル
ス発生器３５に作用させることにより、電磁場の平均パ
ワーを点検することが可能である。パルス発生器３５
は、前記電力供給源３７を、有用なサイクル、すなわ
ち、パルスの持続時間とパルスの周期との間の比を調整
することにより制御する。さらに、全圧力計測装置３９
が、比較器４１の入力側に連結され、比較器４１の出力
側はガスダクト３０の弁４３に連結されている。比較器
４１の第２入口には、参照電圧Ｒが加えられ、イオン流
の計測された値と比較され、比較器の出口において、弁
４３に伝達さるべき値を与えている。弁４３は、囲い１
内に導入されるガス量に作用し、イオン流を自動的に調
整することを可能にしている。

【０００９】さらに、空洞２０の第３横開口２９に連結
された調節ピストン４５が、空洞２０の内容積を調整す
ることを可能にしている。ピストン４５の調整は、反射
波、すなわち、電磁波発生器３へ逆流する波を最小にす
るため、空洞２０の全内容積を電磁波の周波数に調和
（Ｔｕｎｅ）させるために行われる。これら内容積が電
磁波の周波数に調和されると、発生器３から空洞２０内
へ投入された電磁波は、ほぼ全体的にダクト２１，２３
を通りプラズマ収容囲い１へと伝送され、次いで、等磁
気面１３によって吸収される。上記従来のイオン源にお
いては、第２ダクト２３は、シールド１１の方に向いた
囲い１の開口１９に近接している端部２３ａにおいて電
磁波に対し透過性を有している。

【００１０】前記透過性部分２３ａの内部空間には、ソ
レノイドからの軸方向磁場と、電磁場と、高いガス圧力
が存在する。電磁場は、第１ダクト２１と第２ダクト２
３の非透過部２３ｂとの間を伝送され、第２ダクト２３
の透過部２３ａを横切る電磁波の結果として生じる。従
って、電子サイクトロン共鳴が、第２ダクト２３の端部
２３ａの内部で、高いガス圧力が存在する空間内で発生
可能になる。この電磁波を透過させる端部は、その結
果、自己制御、前イオン化段階を構成し、そこで、電磁
波の過剰入射パワーが、反射されることなく等磁気面１
３により構成されるＥＣＲ領域へと伝送される。かく
て、電子サイクトロン共鳴により製造されたプラズマ
（または、前イオン化プラズマ）が濃くなれば、それだ
け、電磁波の伝送は良くなり、前記前イオン化プラズマ
が導電性になる。さらに詳しくは、前イオン化プラズマ
は、ダクト２１と囲い１とを介してパワー供給器３３の
電圧に曝されるダクト２３の導電性部分２３ａの存在に
よって加えられる電圧にまで上昇される。

【００１１】等磁気面１３内に封じ込められたプラズマ
は、勿論、囲い１に比較して正の電圧にまで上昇され
る。かくて、前記封じ込められたプラズマの電子は、電
子のサイクトロン共鳴により加熱され、高過ぎるエネル
ギーの電子の一部は封入空間から逃げ出る。それらは、
次に、囲い１に衝突し、この作動により、囲い１は負に
帯電される。従って、封じ込められたプラズマは、囲い
よりもより正な極性を有することになる。さらに、囲い
１と封入プラズマとの間に作られた電位差は、電場Ｅを
生じさせる。電場Ｅは、封じ込められたイオンを囲い１
の開口１７へ向かい移動させる。しかし、等磁気面１３
まで延びている前イオン化プラズマは、封じ込められた
プラズマと接触する。しかし、前記前イオン化プラズマ
は導電性であり、囲い１と同じ電圧まで上昇される。電
場Ｅは次いで攪乱され、イオン源の容量に影響を与え
る。

【００１２】第２ダクトの導電性部分２３ｂを除去し、
透過部分２３ａを増加させることは、前イオン化プラズ
マを封入プラズマから効果的に隔離することを可能にし
よう。しかし、かかる装置においては、透過部分２３ａ
が導電性でないから、電磁波を発生器３から伝送するこ
とは最早確実でなくなる。電磁波が伝送されるために
は、同軸伝送ケーブルを形成する２個の同軸のコンダク
タが必要なのである。

【００１３】

【本発明の目的および目的を達成するための手段】本発
明は、電磁波の伝送を確保しつつ、前イオン化プラズマ
を封入プラズマから隔離することにより、電場Ｅを最適
化することを可能にしている。かくて、本発明は、電圧
源により電気的に供給される前イオン化プラズマの投入
装置を提供している。

【００１４】より詳しくは、本発明は、電子サイクトロ
ン共鳴（ＥＣＲ）イオン源にして、電子サイクトロン共
鳴により形成されるプラズマイオンと電子とを収容する
囲いと、前記囲いを包囲し、該囲い内への封入を保証す
る半径方向および軸方向の２個の磁場を形成させる磁気
構造と、電力供給源に連結された前記囲いから、前記イ
オンを引き出す装置と、電磁波発生器に連結された遷移
空洞と、前記囲いと空洞とを、真空密封態様で連結する
第１導電性ダクトと、および少なくとも部分的に導電性
であり、前記第１ダクトと空洞とを軸方向に横切り、前
記囲いに通じる第２ダクトとを有するイオン源に関して
いる。このイオン源は、共鳴点において共鳴が生じる第
２ダクトが、第２電力供給源に連結されていることを特
徴としている。

【００１５】本発明に従えば、第１と第２の電極供給源
が同一であり、同じ極性を有し、囲いと第２ダクトと
を、地面に比較して同じ電圧に上げている。第２ダクト
が、誘電体材料から作られた、電磁波を透過させる管
と、前記透過管を部分的に覆う限定された厚さの導電性
管と、前記透過管の内面の一部に衝接して置かれた限定
された厚さの耐火性金属管とを有することが有利であ
る。本発明に従えば、導電性管が透過管を、空洞を横切
る部分から、共鳴点Ｃからのクリティカルな距離Ｌ＝Ｃ
／Ｆの点に至るまで覆っている。同様に、耐火性金属管
が、透過管の内面の部分を、空洞を横切る部分から、共
鳴点Ｃからのクリティカルな距離Ｌ＝Ｃ／Ｆの点に至る
まで覆っている。本発明の実施例に従えば、透過管が石
英管から作られ、導電性管が銅から作られ、耐火性金属
管がタンタルの板により作られている。

【００１６】

【実施例】以下、本発明を、付図を参照して、限定的で
ない実施例について詳細に説明する。図１の説明に関連
して使用された参照番号は、部品が本発明と従来技術と
において同じ場合には、図２，３においても維持されて
いる。図２は、本発明のイオン源を示す。それは、上述
した従来のイオン源に、第２電力供給源５０を追加し、
第２ダクトを本発明に従って改修したものを示す。図２
において、該ダクトは番号５２を付されている。第２電
力供給源５０は第１電力供給源３３と同じであり、同じ
極性をもっている。それは、ほぼ１０〜２０ｋＶの可変
電圧を供給できる。

【００１７】電力供給源５０は、その正極を第２ダクト
に、その負極を地面と電力供給源３３の負極とに連結さ
れている。第２電力供給源５０の存在は、囲い１とダク
ト５２とを、相互に独立し、かつ同じ極性をもつ電圧へ
と上昇させている。囲い１が、等磁気面１３から逃げて
きた電子と接触して負に帯電すると、ダクト５２は、該
ダクト内の前イオン化プラズマと同様に、正の極性を維
持する。さらに、等磁気面１３内に封じ込められたプラ
ズマの極性にほぼ相似の極性を有する前イオン化プラズ
マは、依然として封じ込められたプラズマから隔離され
ている。かくて、封じ込められたプラズマと囲い１との
間の電場Ｅ、特に、引き出し開口１７前面の電場Ｅは最
適になっている。

【００１８】図２はまた、本発明のダクト５２を示して
いる。ダクト５２は、第１ダクト２１内に置かれた石英
管５３を有し、該石英管は空洞２０の全体を横切りガス
ダクト３０に到っている。石英管５３は、より一般的な
用語で言うと、透過性誘電体材料から作られた管であ
る。しかし、石英は脱ガスを許さない利点を有してい
る。ダクト５２はまた、石英管に被せられた、すなわ
ち、石英管５３の外面に一致するように、石英管を取り
巻く非常に薄い銅管５４を有している。銅管５４は導電
性であり、ダクト２１に導入された電磁波の伝送を可能
にする。電磁波をより良く伝送するには、導管５４を空
洞２０の壁２８に溶接する。さらに、投入されたガスの
前イオン化のために、銅管５４は石英管５３を完全には
被覆していない。石英管５３の部分５３ａは、電磁波に
対し透過性のまま残っている。

【００１９】ダクト５２の他の実施例によれば、導管５
４を、石英管５３の金属被覆、すなわち、石英管に銀を
堆積させることにより代替させることもできる。ダクト
５２はまた、石英管５３内に張り付けられた、すなわ
ち、石英管の内壁に当てて配置された耐火性金属管５５
を有する。有利なことは、本発明の好ましい実施例に従
って、耐火性金属管５５が、石英管５３内に、その内面
にほぼ完全な状態で一致するように巻き付けられた薄い
タンタル板により構成されるのが良い。耐火性金属管５
５はまた、同じ原理を用い、タングステンの膜または板
により製造可能である。この耐火性金属管５５は、石英
管５３の内面を、電磁波を透過するために残された部分
５３ａを除いて、その全長にわたり被覆している。ダク
ト５２の密封端、すなわち、ガスダクト３０に隣接する
端部において、真空密封通路がダクト５２内に作られ、
該通路を通り、電線が電力供給源５０と耐火性金属管５
５とを確実に連結させている。

【００２０】図３は、共鳴点として作用する管５３，５
４，５５の位置を示している。上述したイオン源のよう
な、電磁波同軸投入を伴うイオン源においては、電磁波
の電場（図示せず）は、図２のＡ，Ｂ，Ｃにおいて最適
になる。より詳しくは、ＥＣＲは、電場が最大値に達
し、共鳴誘導場に垂直になり、小半径シリンダ、すなわ
ち、第２小半径ダクト５２に位置しているときに、点Ｃ
において最適となる。さらに、前記最適化されたＥＣＲ
が存在すると、ダクト５２内で作られた前イオン化プラ
ズマは、実質上導電性になる程濃くなり、等磁気面１３
に至るまで膨張し、従って、点Ｂに達する。等磁気面１
３は電磁波を吸収、反射し得る封じ込められたプラズマ
を収容し、かくて、前記面１３を点Ｂから点Ａへ半導電
させている。かくて、電磁気の観点から、ＥＣＲイオン
源は、磁気軸１５の点Ａに至る同軸ケーブルのように挙
動する。この開放ケーブルは、次に、点Ａとピストン４
５との間の定在波のシート（Ｓｅａｔ）となる。従っ
て、点Ｃに対するダクト５２の位置は正確に決める必要
がある。この位置は図３において、ダクト５２の非透過
部分と共鳴点Ｃとの間のクリティカルな距離Ｌにより表
現されている。

【００２１】点Ｃにおいて作られた前イオン化プラズマ
は、点Ｂにまで拡散するだけでなく、導電性の金属管５
５にまで拡散する。従って、金属管５５は、点Ｃからの
距離Ｌにおいて中断され、前記クリティカル距離Ｌは式
Ｌ＝Ｃ／Ｆにより決められる。ここで、Ｃは光の速度、
Ｆは電磁波の周波数である。実施例に従い、１０，１２
０メガヘルツの周波数Ｆに対しては、点Ｃと管５５との
間の距離Ｌは、２．９６ｃｍである。電磁気の観点から
は、電磁波伝播は、前イオン化プラズマも導管５４内に
延びているかのように生じている。従って、点Ａとピス
トン４５（図２）との間の定在波システムは攪乱されな
い。さらに、発生器３からの電磁波は点Ａに至るプラズ
マに伝達され、点ＡにおいてピストンＡへと反射され、
ピストンは、電磁波が電子サイクトロン工程の間にプラ
ズマに完全に吸収されるまで、プラズマなどの中へ戻し
ている。

【００２２】このように、電力供給源５０によりダクト
５２を正の極性にすることは、前記ダクト内の前イオン
化プラズマと等磁気面１３内に封じ込められたプラズマ
とを独立させ、ＥＣＲ現象に必要な電磁波の伝送を乱す
ことなく、イオンを取り出すのに最適な電場Ｅの形成し
ている。上述した装置は、（図１に示すような）既知の
イオン源の性能特性を３〜４ファクタだけ増加させるこ
とを可能にしている。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のＥＣＲイオン源の図解図。

【図２】本発明のイオン源の図解図。

【図３】共鳴点Ｃ近傍の第２ダクトの拡大図。

【符号の説明】

１囲い３電磁波発生器５導波管７永久磁石９ソレノイド１１シールド１３等磁気面２０遷移空洞１７，１９，２５，２７開口２１第１ダクト２３，５２第２ダクト３１電極３３，３７電力供給源４１比較器４５調整ピストン２３ａ透過部２３ｂ非透過部５３石英管５４銅管５５耐火性金属管

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子サイクトロン共鳴（ＥＣＲ）イオン
源にして、電子サイクトロン共鳴により形成されるイオンのプラズ
マと電子とを収容する囲い（１）と、前記囲いを包囲し、該囲い内への封入を保証する半径方
向および軸方向の２個の磁場を形成させる磁気構造（１
１）と、電力供給源（３３）に連結された前記囲いから、前記イ
オンを引き出す装置と、電磁波発生器（３）に連結され
た遷移空洞（２０）と、前記囲いと空洞とを、真空密封状態で連結する第１導電
性ダクト（２１）と、および少なくとも部分的に導電性
であり、前記第１ダクトと空洞とを軸方向に横切り、前
記囲いに通じる第２ダクト（５２）とを有するイオン源
において、共鳴点Ｃにおいて共鳴が生じる第２ダクトが、第２電力
供給源（５０）に連結されていることを特徴とするイオ
ン源。
【請求項２】請求項１に記載のイオン源において、前
記第１と第２の電力供給源が同一であり、同じ極性を有
し、囲いと第２ダクトとを、地面に比較して同じ電圧に
上げていることを特徴とするイオン源。
【請求項３】請求項１に記載のイオン源において、前
記第２ダクトが、誘電体材料から作られた、電磁波を透過させる管（５
３）と、前記透過管を部分的に覆う限定された厚さの導電性管
（５４）と、前記透過管の内面の一部に衝接して置かれた限定された
厚さの耐火性金属管（５５）とを有することを特徴とす
るイオン源。
【請求項４】請求項３に記載のイオン源において、前
記導電性管が透過管を、前記空洞を横切る部分から、共
鳴点Ｃからのクリティカルな距離Ｌ＝Ｃ／Ｆの点に至る
まで覆っていることを特徴とするイオン源。
【請求項５】請求項３に記載のイオン源において、前
記耐火性金属管が、透過管の内面の部分を、空洞を横切
る部分から、共鳴点Ｃからのクリティカルな距離Ｌ＝Ｃ
／Ｆの点に至るまで覆っていることを特徴とするイオン
源。
【請求項６】請求項３に記載のイオン源において、前
記透過管が石英管であることを特徴とするイオン源。
【請求項７】請求項３に記載のイオン源において、前
記導電性管が銅で作られていることを特徴とするイオン
源。
【請求項８】請求項３に記載のイオン源において、前
記耐火性金属管がタンタルの板により作られていること
を特徴とするイオン源。