JPH0541294A

JPH0541294A - 中性粒子ビーム照射装置

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Publication number: JPH0541294A
Application number: JP3216156A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Nishikawa; 雅弘西川; Yoshio Ueda; 良夫上田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-07-31
Filing date: 1991-07-31
Publication date: 1993-02-19
Anticipated expiration: 2010-11-01
Also published as: JPH07101640B2

Abstract

(57)【要約】【目的】低エネルギー領域（数Ｋｅｖ〜数百ｅｖ）の
中性粒子ビームを照射する装置に於いて、中性粒子ビー
ムの高輝度化を計ることにより超高温場の達成を可能と
し、実際の周辺プラズマ条件に近い状態下で種々の材料
に対する高熱負荷照射試験等を実施できるようにする。【構成】アークチャンバーを備え、熱陰極アーク放電
によりソースプラズマを生成するソースプラズマ生成部
と；前記アークチャンバーの開口部に設けられ、ソース
プラズマ中のイオンを中性化セル内へ引出すビーム引出
し電極部とから成る中性粒子ビーム照射装置に於いて、
前記ビーム引出し電極部を、所定の間隔を保持して並設
した複数枚の電極孔を有する曲面状電極から構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、核融合施設等で用いる
各種材料の高熱負荷照射試験や新材料の開発等に使用さ
れるものであり、数ｋｅｖ〜数百ｅｖのエネルギー領域
に於いて高輝度の中性粒子ビームを得られるようにした
照射装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】核融合工学等の分野に於ける材料評価、
例えばプラズマ対向材としてのカーボンや耐熱合金等の
材料評価では、熱負荷照射試験の結果が特に重要とな
る。しかし、従来の荷電粒子ビームによる照射試験や熱
衝撃試験は、ビームを形成する粒子の加速エネルギーが
１０ｋｅｖ〜１００ｋｅｖと比較的高いため、所謂イン
プランテーション等の相互作用が主体となり、実際の周
辺プラズマ条件下に於ける試験とは相当異なったものに
なっている。又、従来のビーム照射装置では、荷電粒子
ビームを照射するようになっているため、材料への電荷
の蓄積の問題があり、金属と非金属に対して同じ熱衝撃
を与えることが難しい等の難点がある。

【０００３】そこで、本件発明者等は先に、実際の周辺
プラズマ条件下に近い低エネルギー領域（数ｋｅｖ〜数
百ｅｖ）で、しかも中性の粒子ビームを照射する装置を
開発し、これを実用化して来た。即ち、この低エネルギ
ー領域の中性粒子ビーム照射装置Ｐは、図１１に示すよ
うにソースプラズマ生成部Ａとビーム引出し電極部Ｂと
から構成されており、当該照射装置Ｐに内部に試料ホル
ダー等を収納した真空排気部Ｃを連結することにより、
照射試験装置Ｕが形成されている。また、照射装置Ｐを
構成するソースプラズマ生成部Ａは、図１２に示すよう
にアークチャンバー１、タングステンフィラメント２、
アーク電源３、フィラメント電源４、ラインカスプ磁場
を形成してソースプラズマＤの閉じ込めをするＣｏ−Ｓ
ｍを用いた永久磁石５及びアークチャンバー１内へ充填
した放電ガス（Ｈ，Ｈe，Ａr等）６等から形成されてい
る。更に、ビーム引出し電極部Ｂは、多数の電極孔７ａ
を有する平板状の加速電極７、電極孔８ａを有する平板
状の減速電極８、電極孔９ａを有する平板状の接地電極
９、加速電源１０、減速電源１１、絶縁体１２及び筒状
の中性化セル１３等から形成されている。

【０００４】中性粒子ビームの照射に際しては、先ずア
ークチャンバー１内で熱陰極アーク放電を発生させ、こ
れによりソースプラズマＤを生成する。生成されたソー
スプラズマＤ中のイオンは、引出し電極部Ｂの各電極へ
所定の電位を加えることにより、電極孔を通して順次外
方へ引き出され、加速・減速電極７，８間で加速される
と共に減速・接地電極８，９間で減速され、最終的には
加速・接地電極７，９間のポテンシャルに応じたエネル
ギーを持って中性化セル１３内へ引き出される。

【０００５】引き出し電極部Ｂにより引き出されたイオ
ンは、中性化セル１３内のガス６雰囲気中を通過するこ
とにより中性化される。水素ビーム（放電ガス６が水
素）の場合、その荷電交換反応は次のようなものであ
る。Ｈ⁺＋Ｈ₂ ⁰→Ｈ⁰＋Ｈ₂ ⁺ また、次に示す如く、一度中性化された高速の粒子の中
のいくつかは、衝突によって再びイオン化される。Ｈ⁰＋Ｈ₂ ⁰→Ｈ⁺＋Ｈ₂ ⁰＋ｅ‐ 尚、粒子のエネルギーが１０Ｋｅｖ程度であれば、中性
化効率は約９０％あり、荷電交換反応による中性化で高
密度な中性粒子ビームの生成が可能となる。

【０００６】ところで、プラズマへの入射や材料照射を
目的とする中性粒子ビーム照射装置Ｐに於いては、超高
温場を達成する必要から中性粒子ビームの高輝度化即ち
高電流密度化が必須の要件となる。而して、低エネルギ
ー領域の中性粒子ビームの高輝度化を計るためには、ソ
ースプラズマＤからのイオン引出し面において高い電流
密度を得ることと、引き出したビームを集束させること
の２つが必要となる。

【０００７】ところで、図１２の様な３枚の電極から成
る引出し電極部Ｂの場合、前記イオン引出し面における
電流密度は引き出し電圧（加速電圧＋減速電圧）の大き
さによって決定される。即ち、引き出されたビームのエ
ネルギーは加速電圧１０によって決まるので、減速電圧
１１を高圧化することによって、ビームのエネルギーを
変えずに引き出し電流量を上げることができる。しか
し、減速電圧１１を高めると減速・接地電極８，９間の
電場の影響でビームの発散角が劣化するため、減速電圧
１１の上昇による電流密度の増加には一定の限度があ
る。

【０００８】一方、前記引き出したビームを集束させる
ため、図１１及び図１２に示す従前の照射装置Ｐでは、
図１３のように減速電極８と接地電極９の電極孔８ａ，
８ｂを加速電極７の電極孔７ａに対して変位させること
により、所謂電極孔の静電レンズ効果を利用して各電極
孔を通るビームＥを偏向させ、一点に集束させるように
している。尚、図１３に於いて、ビームＥの集束の焦点
距離Ｌは加速電圧１０と減圧電圧１１の比によって変わ
り、減速電圧１１の加速電圧１０に対する比（加減速
比）が０.２位の場合には、焦点距離Ｌが約１５０ｃｍ
となる。

【０００９】図１３の様に、ビームＥの集束によってそ
の高輝度化（高電流密度化）を計るには、前記焦点距離
Ｌを短くして電流密度の増加率（ビームＥ中の電流密度
の最大値をビームの引き出し面での電流密度で割った
値）を可能な限り大きくする必要がある。しかし、従前
の中性粒子ビーム照射装置のように、電極孔７ａ，８
ａ，９ａの位置変位を利用してビームＥを幾何学的に集
束させる場合には、焦点距離Ｌと電極孔の変位量とが反
比例の関係にあるため、短焦点化を計ろうとすると、電
極孔の変位量が大きくなり過ぎ、その結果、ビームＥの
引出しに支障を生ずることになる。この様に、電極孔の
位置変位を利用してビームの集束を行うようにした従前
の中性粒子ビーム照射装置に於いては、中性粒子ビーム
の高輝度化に一定の限界があり、より高輝度の中性粒子
ビームが得られないと云う基本的な欠点がある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従前の低エ
ネルギー領域（数百ｅｖ〜数ｋｅｖ）の中性粒子ビーム
の照射装置に於ける上述の如き問題、即ち、集束せしめ
た中性粒子の焦点距離Ｌを大幅に短縮することが困難
で、中性粒子ビームの高輝度化に一定の限界があると云
う問題を解決せんとするものであり、ビーム引出し電極
部の電極板を曲面状の電極板とすることにより、中性粒
子ビームの大幅な高輝度化を可能とした中性粒子ビーム
照射装置を提供するものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】アークチャンバーを備
え、熱陰極アーク放電によりソースプラズマを生成する
ソースプラズマ生成部と；前記アークチャンバーの開口
部に設けられ、ソースプラズマ中のイオンを中性化セル
内へ引き出すビーム引出し電極部とから成る中性粒子ビ
ーム照射装置に於いて、前記ビーム引出し電極部を、所
定の間隔を保持して並設した複数枚の電極孔を有する曲
面状電極から構成したことを発明の基本構成とするもの
である。

【００１２】

【作用】熱陰極アーク放電により放電ガスが電離され、
アークチャンバー１内にソースプラズマＤが生成される
と共に、イオンの供給が行われる。ソースプラズマＤ内
のイオンは、ビーム引出し電極部Ｂの各電極孔を通過す
る間に、所定の電位の印加によって電極の曲率中心に集
まる向きに形成された引出し電場の作用を受け、所謂集
束された状態となって引き出されて行く。電極部Ｂから
引き出されたビームは、中性化セル１３内のガス雰囲気
中を通過する間に荷電交換反応を受けて中性化され、真
空排気部Ｃ内へ輸送されて行く。

【００１３】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の実施例を説明
する。尚、本発明の実施例に係る図面に於いて、前述し
た従前の中性粒子ビーム照射装置と共通する部位には、
同一の参照番号を使用するものとする。図１は本発明に
係る中性粒子ビーム照射装置Ｐの縦断面概要図であり、
当該照射装置Ｐと真空排気部（図示省略）とを連結する
ことにより、照射試験装置Ｕが形成される。例えば、当
該中性粒子ビーム照射装置Ｐと真空排気部Ｃとを図１１
の様に連結することにより、ＦＲＣプラズマをビームの
入射ターゲットとする照射試験装置Ｕを構成することが
出来、この場合には、ターゲットであるプラズマの寿命
が１ｍｍｓｅｃ以下であるため、中性粒子ビームのパル
ス幅は数１０ｍｍｓｅｃ程度に設定されることになる。

【００１４】当該中性粒子ビーム照射装置Ｐは図１に示
す如くソースプラズマ生成部Ａとビーム引出し電極部Ｂ
とから構成されている。また、前記ソースプラズマ生成
部Ａはガス入口１ａを有するアークチャンバー１、タン
グステンフィラメント２、Ｃｏ〜Ｓｍ製永久磁石５及び
アークチャンバー１へ供給された放電ガス（水素）６等
から形成されている。更に、前記ビーム引出し電極部Ｂ
は球面状の加速電極７、減速電極８、接地電極９、加速
電源１０、減速電源１１、絶縁体１２及び中性化セル１
３等から形成されている。

【００１５】前記アークチャンバー１は内径２６０ｍ
ｍ，深さ２２０ｍｍの円形バケット型に形成されてお
り、ステンレス（ＳＵＳ３０４）を用いて形成されてい
る。前記フィラメント２は、直径１ｍｍ，長さ１２.７
ｃｍのヘアピン状の形状をもったタングステン線であ
り、チャンバー側面に８本配置されている。前記永久磁
石５はＣｏ〜Ｓｎ製の磁石であり、チャンバーの周囲に
その中心軸と平行に２４本及び底に９本並べられてお
り、これによってラインカスプ磁場を形成させている。
尚、当該永久磁石５はソースプラズマの閉じ込めを良く
し、アーク効率を上げるためのものである。前記放電ガ
ス６は、ガス入口１ａよりアークチャンバー１内へ導入
され、約５〜１０ｍｍＴｏｒｒ程度の圧力に保持されて
いる。尚、本実施例では放電ガスと水素を使用している
が、ヘリウムやアルゴンであっても良い。

【００１６】前記引出し電極部Ｂは３枚の多孔電極７，
８，９から形成されており、ソースプラズマＤから近い
順に加速電極７（正電位：Ｖａ）、減速電極８（負電
位：Ｖｄ）、接地電極９（接地電位：Ｏ）を構成してい
る。また、各電極７，８，９は、同一の中心を持つ球面
状に加工されており、引出し電場の向きを曲率中心に集
めることによって、単孔から引き出した微小ビームを集
束させ、ビームの高輝度化を図っている。各曲面電極
７，８，９の仕様は下記の通りである。接地電極の曲率半径：５０ｃｍ最外電極孔間距離：１４ｃｍ電極孔直径：３.８ｍｍ電極孔個数：６３７個電極の厚さ：１.６ｍｍ加・減、減・接電極間距離：５.５ｍｍ，２.５ｍｍ透過率：４６.９％電極の材質：無酸素銅尚、アークチャンバー１と加速電極７との間はセラミッ
クス製リング１２で絶縁され、通常は２００Ωの抵抗を
介して接続されている。尚、今回の試験では、アークチ
ャンバー１・加速電極７間に様々なポテンシャルを与え
て、ビームを引き出すようにしている。また、本実施例
では各電極７，８，９を同一の曲率中心を有する球面状
の曲面を有する電極としているが、円筒面や回転楕円面
を有する曲面状電極としてもよいことは勿論である。更
に、前記減速電極８は、下記の機能を果たすために設置
するものである。即ち、引出し電極部Ｂのすぐ後方に
は、電極孔から流出した中性粒子が多数存在し、引き出
された高速イオンとの衝突によって低速のイオン・電子
が生成される。このうち低速イオンはビームの空間ポテ
ンシャルによってビームの外に押しだされるが、電子は
ビーム中に捕捉される。この時、引出し電極部Ｂの電極
が２枚であればビーム中の電子が電極間の電位によりソ
ースＤ側へ加速される。高速の逆流電子は電極やイオン
ソース内部に衝突し、表面を加熱したり不純物をたたき
だしたりして、イオンソースの安定動作に悪影響を及ぼ
す。減速電極８はこの電子の逆流を防ぐために設置し、
通常加速電圧Ｖａの１割程度の電圧Ｖｄを印加する。

【００１７】本件中性粒子ビーム照射装置Ｐと連結する
前記真空排気部Ｃは、容積１ｍ³の拡散チャンバーと排
気量５２０ｌ／ｓｅｃのターボ分子ポンプ等から構成さ
れ、アークチャンバー１へのガス注入時に、ビーム照射
装置Ｐ全体の急激な圧力上昇を防ぐ働きをする。また拡
散チャンバーは、ソースプラズマＤから引き出されたイ
オンビームＥｏを中性粒子との荷電交換反応により中性
化する中性化セル１３の補助的な役割も担っている。

【００１８】次に、本発明に係る中性粒子ビーム照射装
置Ｐの作動について説明する。先ず、真空排気部Ｃ内を
所定の真空度にまで排気し、その後アークチャンバー１
内へ適宜の流量制御弁を介して放電ガス（水素）を導入
する。次に、タングステンフィラメント２に一本あたり
６０Ａの電流を流して３０００Ｋ程度にまで加熱し、そ
の後、フィラメント２とチャンバー１との間に電圧を印
加してアーク放電を発生させる。この熱陰極アーク放電
により放電ガスが電離され、アークチャンバー１内にソ
ースプラズマＤが生成されると共にイオンの供給が行わ
れる。

【００１９】一方、ビーム引出し電極部Ｂの各電極７，
８，９へ所定の電位が賦与されることにより、電極の曲
率中心に集まる向きに引出し電場が形成される。この引
出し電場の作用を受けて、アークチャンバー１内に生成
されたソースプラズマ内のイオンは各電極孔７ａ，８
ａ，９ａを通して引き出され、その間に順次集束され
る。また、中性化セル１３内へ入ったイオンビームＥｏ
は、中性化セル１３内のガス雰囲気中を通過する間に所
謂荷電交換反応を受けて中性化され、中性粒子ビームＥ
となる。その結果、数ｋｅｖ以下の低エネルギーを有し
且つ高度に集束された高輝度中性粒子ビームＥが形成さ
れ、真空排気部Ｃ内に設けたターゲットへ向けて照射さ
れる。

【００２０】次に、イオン源直後からビームがほぼ中性
化されるまでの領域に於けるビームのパワー密度分布を
測定するため、ビームの径方向に９（又は１３）チャン
ネルの測定子を持ち、且つビームの進行方向に移動操作
ができるカロリーメーターアレーを作成し、中性粒子ビ
ームの径方向及び進行方向（Ｚ軸方向）のパワー密度分
布の詳細な測定を行った。更に、引き続き前記測定値と
ビーム輸送モデルとの対応を調べた。

【００２１】測定に用いたカロリーメーターは、受熱板
に銅を用い、ビーム照射による温度上昇をアルメルクロ
メル熱電対で測定するものである。熱電対は厚さ０.１
ｍｍのチタン板に溶接されており、また、チタン板と銅
板は薄い絶縁層を介して接着されている。更に、銅板は
接地をされ、電荷の蓄積が防止されている。これによ
り、銅板に流れ込むビーム中のイオン電流が熱電対線に
流れ込んで熱電対線を加熱したり、測定回路系に悪影響
を与えたりすることを防いでいる。受熱板の厚さは０.
５−１.０ｍｍ程度とし、１ショットでの温度上昇が１
０°程度以下になるようにしている。

【００２２】曲面電極を用いた場合の中性粒子ビームの
パワー密度分布測定は、次のようにして行った。図２を
参照して、ガス圧は、イオンソースＤ内圧力Ｐｓ＝６ｍ
Ｔｏｒｒ，拡散チャンバー（図示省略）内圧力Ｐｃ＝
０.５ｍＴｏｒｒに、また加速電圧Ｖａ＝８ＫＶ、ビー
ム引出し時間Ｔａｃｃ＝３ｍｓｅｃに固定して水素ビー
ムを引き出した。通常の仕様では、加速電極７とアーク
チャンバー１との間は２００Ωの抵抗を介して接続され
ており、アーク電圧に近い値のポテンシャルがかかって
いる（Ｖ_C-E≒Ｖ_ARC）。このＶ_C-Eと減速電圧Ｖｄを変
えて測定を行った。各条件によって最適なパービアンス
が異なるので、まずカロリーメーターアレーをＺ＝４８
ｃｍの位置に置いた後に、アーク電流を変えることによ
ってソースプラズマ密度を変えてビームを引き出し、ビ
ームの径方向（ｒ方向）のパワー密度分布を測定した。
分布の中心パワーが最も大きいときにパービアンスが最
適なので、この時の引き出し電流でビームの伝播方向
（ｚ方向）にアレーを走査した。

【００２３】ビームは進行するにしたがって中性化され
るが、中性化が十分に行われないとビーム中のイオンが
発散してしまいプロファイルが変化する。Ｚ＝４８ｃｍ
での径方向ビームプロファイルを、拡散チャンバー内圧
力を０.５〜２.３ｍＴｏｒｒまで変化させて数点測定し
たが、プロファイルに変化が見られず、十分に中性化さ
れていることを確認した。プロファイル変化が見られな
い理由として、イオンの荷電交換反応による中性化と、
高速粒子と水素分子の衝突によって生じる電子がビーム
中に含まれ、これによる空間電荷の中和等が挙げられ
る。拡散チャンバー内圧力を下げると、空間電荷により
拡がったビームが測定されると思われる。走査中の測定
は、カロリーメーター出力が一定に、すなわち受熱板の
冷却が十分に行われたのを確認してから行った。これ
は、カロリーメーターが熱くなりすぎるのを防ぐため
と、正確な出力を得るためである。このときのビーム照
射間隔は、約３分間である。また引き出し電極に電圧を
印加する際に、加速電圧Ｖａはビーム引き出し時間と同
じだけ（３ｍｓｅｃ）印加しているが、減速電圧Ｖｄは
加速電圧Ｖａを遮断した後も印加されている。このため
カロリーメーターの出力は、イオン及び中性粒子ビーム
のパワーに、減速電圧Ｖｄのみ印加されている間の電子
ビームのパワーが上乗せされた値になる。以下のデータ
は、電子ビームによる出力を差し引いた値を用いた。

【００２４】図３の（ａ）〜（ｈ）は、測定結果の一例
を示すものであり、ビームの代表的な径方向のパワー密
度分布の様子を示す。縦軸はガウス分布の最大値を１に
規格化している。Ｚは接地電極９からの距離を表す。
尚、図３に於いて黒点は各チャンネルの出力を、実線は
データ点をガウス分布で近似したものである。電極に近
いところでは、ガウス分布からはずれ台形に近い形であ
るが、３０ｃｍ程度進行するとガウス分布と良い一致を
見る。また伝播するにしたがって集束されてビームの幅
が細くなり、焦点をすぎて太くなっていく様子がわか
る。

【００２５】また、図４の（ａ）〜（ｂ）は、Ｖ_C-Eを
変えた場合のビームの伝播方向の中心パワー密度分布を
示すものである。Ｖ_C-Eを変えることにより、ビームの
中心パワー密度即ちビーム特性が変化することが分か
る。Ｚ＝３０ｃｍ以降のデータ点は、図３に示したガウ
ス分布の中心パワー密度である。曲面電極を用いること
で、ビームが進行するにしたがって集束され、引き出さ
れた直後は１００Ｗ／ｃｍ²程度の中心パワー密度だっ
たものが、１ＫＷ／ｃｍ²（電極密度１２５ｍＡ／ｃｍ²
程度）程度にまで上がっていることが分かる。Ｖ_C-Eが
上がるにつれ、ビームのパワー密度が最も高くなる集束
点がＺ＝５０ｃｍ（引き出し電極の曲率半径）に近づい
ていく。また引き出し直後のパワー密度に対する集束点
でのパワー密度の上昇率が上がり、単孔の発散角が良く
なっていることがわかる。さらにこの試験で、減速電圧
Ｖｄを高圧化すると、最適な引き出し電流値が増すこと
が確認された。

【００２６】図５は、前記図４の（ａ）の測定値（黒
点）と、後述するモデルによるフィッチング（実線）と
の対応を示すものであり、測定値とモデルによるフィッ
チングとは良好に対応している。尚、当該試験ではＶａ
＝８Ｋｅｖ，Ｖ_C-E＝２７Ｖ，Ｖｄ＝２.２ＫＶ，ビーム
の発散角度ω＝１.６７ｄｅｇ，焦点距離５５.１ｃｍと
なっている。尚、前記各実施例に於いては、放電ガス６
として水素を利用した場合について説明したが、アルゴ
ンを利用した場合についても同様の試験を行った。その
結果、水素ビームとアルゴンガスビームとの間には特性
上大差のないことが判明した。また、放電ガス６として
はこの他に、ヘリウムガスや炭化水素系ガス、ボロン系
ガスを用いることが出来る。

【００２７】更に、比較のために、ビーム引き出し電極
部Ｂを平板状電極とした中性粒子ビーム照射装置に前記
カロリーメーターを適用し、ビームの伝播方向の中心パ
ワー密度分布等を測定した。図６の（ａ）及び図６の
（ｂ）は、ビームの中心軸上に於けるパワー密度分布の
測定値（黒点）と、後述するモデルを用いたフィッチン
グ（実線）の一例を示すものである。図６からも明らか
なように、パワー密度分布の測定値（黒点）とモデルを
用いたフィッチング（実線）とは比較的良好に対応して
いる。また、平板状電極の場合には集束ビームの焦点距
離Ｌが１５０〜１６０ｃｍと比較的長くなるうえ、発散
角ωも比較的大きくなる。その結果、パワー密度の最大
値は、ビームエネルギーが１０.７Ｋｅｖ〜７.６Ｋｅｖ
の領域に於いては０.７〜０.８ＫＷ／ｃｍ²程度とな
り、球面状電極とした場合のパワー密度の最大値（１.
０〜１.２ＫＷ／ｃｍ²）に比較して相当劣ることにな
る。

【００２８】更に、平面状電極の場合の最大パワー密度
と球面状電極の場合の最大パワー密度とを、モデルを用
いた計算値により対比した。即ち、平板状電極の場合の
中性子ビーム輸送のモデルとして以下に示すものを考
え、実際の実験データにフィッティングして、パラメー
ターを決定した。このモデルは次の仮定を用いている。
ビームは、一様に電極面から引き出される微小ビー
ムの単純な重ね合わせとする。微小ビームは発散角
ωのガウスビームとする。ビーム輸送過程での空間
電荷によるビームの発散は考えない。前記仮定より、
電極面での微小面積要素ｄｓから放出されるビームが
（ｒ，ｚ）の位置に輸送するパワー密度ｄｐは、下記の
数１のようにかける。尚、図７は座標ｒ，ｚ及び発散角
ωの関係を示すものである。

【００２９】

【数１】

【００３０】このモデルを用いると円形平板電極からビ
ームを並行に引き出した場合の中心軸上ｚｐ（電極から
の距離）でのパワー密度Ｐ（ｚｐ）は、電極面上を１と
して下記の数２のように表される。尚、ここでｂは電極
の半径である。また、実際の電極ではビームを幾何学的
に集束しているので、発散角ωと電極面での電流密度の
ほかに、ビームの焦点距離Ｌがフィッティングの際にパ
ラメータとなる。更に、前記モデルに基づくフィッティ
ングが、実測値と比較的良好に対応することは、前述し
た如く、図５の（ａ）及び図５の（ｂ）によって実証さ
れているところである。

【００３１】

【数２】

【００３２】同様に、球面電極を用いた場合のビームの
中心軸上に於けるパワー密度Ｐは、先のモデルを用いる
と下記の数３で表される。但し、ここで、Ｒは電極の曲
率半径、θ₀は曲率中心から見た場合の電極端の仰角で
ある（図８を参照）。尚、数３によりフィッティングし
たビームパワー密度Ｐが実測値と良好に対応すること
は、前記図５により判明しているところである。

【００３３】

【数３】

【００３４】図９及び図１０は、前記数３により計算し
たビーム中心軸上に於けるパワー密度のＺ軸方向分布を
示すものである。即ち、図９は微小ビームの発散角ωを
変化させた場合（曲率半径Ｒ＝５０ｃｍ）、図１０は、
曲率半径Ｒを変化させた場合（発散角ω＝１.５°、た
だし曲率半径を変化させた場合でも電極の面積は同じに
している）の例を示す。また、両図における縦軸Ｐ
（ｚ）／Ｐ（Ｏ）は、パワー密度（電流密度）の増加率
を表すものであり、平面電極から引き出されたビームの
パワー密度Ｐ（Ｏ）に対する曲面電極から引き出された
ビームのパワー密度Ｐ（Ｚ）の比を示すものである。図
９より、築束点（パワー密度最大の場所）でのパワー密
度はビームの発散角が小さくなると急激に大きくなるこ
とが分かる。又、集束点と電極の距離は常に曲率半径よ
りも短く、発散角が大きくなるほど短くなる傾向がある
ことが分かる。このことは、高輝度ビームを短焦点の幾
何学的集束法で得ようとする場合に、ビームの発散角を
小さくすることが大変に重要であるということを意味
し、ビームの引き出し系に十分注意を払う必要があると
いうことを示唆する。また図１０より、曲率半径を小さ
くすると急激にパワー密度の増加率が上がることが分か
るが、曲率半径を小さくし過ぎると製作上の問題やアー
クプラズマの電極面での一様性の問題等が生じるためあ
まり小さくすることは出来ない。

【００３５】結論として、図９からも明らかなように、
単孔から引き出された微小ビームの発散角ωが１.５ｄ
ｅｇのとき、Ｚ＝４７ｃｍでビーム束は最も集束し、ま
た同じ大きさの平面電極の場合に比較してピーク値で約
３２倍のパワー密度を期待することができる。尚、図９
及び図１０は曲面状電極として球面状の電極を用いた場
合の計算データである。曲面電極としてはこの他に円筒
面や回転楕円面等があるが、曲面状電極を回転楕円面の
電極とした場合の比較では、球面電極の場合と大差のな
い効用が得られることが、先のモデルを用いた計算で判
明している。

【００３６】

【発明の効果】本発明に於いては、バケット型イオン源
を用いた約１０ｋｅｖ以下の低エネルギー領域の中性粒
子ビームを照射する装置に於いて、ビーム引き出し電極
部Ｂを複数枚の多数の電極孔を有する曲面状電極から形
成する構成としているため、ビーム集束に於ける焦点距
離を大幅に短くすることが出来ると共に、電極孔からの
ビームの引き出しも支障なく円滑に行なえる。その結
果、所謂中性粒子ビームの大幅な高輝度化が可能とな
り、ほぼ同じ大きさの平面状電極を用いた中性粒子ビー
ム照射装置と比較して、Ｚ軸方向のビームの最大パワー
密度を約３０倍程度高めることが可能となる。本発明は
上述の通り、実際の現象に近い数ｋｅｖから数百ｅｖの
低エネルギー領域で高輝度の中性粒子ビームを生成する
ことができ、これによって超高温場の達成が可能となっ
て種々の材料に対する高熱負荷照射試験を行なえると共
に、大量のイオンを短時間で広い面積に照射出来ること
から、微細パターンの加工装置やイオン注入による表面
改質などにも用いることが出来る等、優れた実用的効用
を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る中性粒子ビーム照射装置の要部を
示す縦断面図である。

【図２】中性粒子ビーム照射装置の各電極への電位の印
加状態を示す説明図である。

【図３】カロリーメーターアレーによる中性粒子ビーム
の半径方向のパワー密度分布の実測値を示すものであ
る。

【図４】カロリーメーターアレーによる中性粒子ビーム
のビーム中心に於けるＺ軸方向のパワー密度分布の実測
値である。

【図５】中性粒子ビームのビーム中心に於けるＺ軸方向
のパワー密度分布の測定値と、モデルによるフィッティ
ングとの対応状態を示す説明図である。

【図６】平板状電極の場合の中性粒子ビームのビーム中
心に於けるＺ軸方向のパワー密度分布を示すものであ
る。

【図７】平板状電極の場合のモデルに於ける座標系を示
すものである。

【図８】球面状電極の場合のモデルに於ける座標系を示
すものである。

【図９】球面状電極の場合と平板状電極の場合とのビー
ム中心に於けるＺ軸方向のパワー密度の比を示すもので
ある（発散角ωをパラメーターとした場合）。

【図１０】球面状電極の場合と平板状電極の場合のビー
ム中心に於けるＺ軸方向のパワー密度の比を示すもので
ある（曲率半径Ｒをパラメーターとした場合）。

【図１１】従来の平板状電極を用いた中性粒子ビーム照
射装置Ｐを備えた照射試験装置Ｕの概要図である。

【図１２】従来の平板状電極を用いた中性粒子ビーム照
射装置Ｐの作動説明図である。

【図１３】従来の平板状電極を用いたビーム引出し電極
部に於けるビームの集束状態の説明図である。

【符号の説明】

Ｕ照射試験装置４フィラ
メント電源Ｐ中性粒子ビーム照射装置５永久磁
石Ａソースプラズマ生成部６放電ガ
スＢビーム引出し電極部７加速電
極Ｃ真空排気部７ａ電極孔Ｄソースプラズマ８減速電
極Ｅ中性粒子ビーム８ａ電極孔Ｅ_O イオンビーム９接地電
極Ｌ集束ビームの焦点距離９ａ電極孔１アークチャンバー１０加速電
源１ａガス入口１１減速電
源２タングステンフィラメント１２絶縁体３アーク電源１３中性化
セル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アークチャンバーを備え、熱陰極アーク
放電によりソースプラズマを生成するソースプラズマ生
成部と；前記アークチャンバーの開口部に設けられ、ソ
ースプラズマ中のイオンを中性化セル内へ引出すビーム
引出し電極部とから成る中性粒子ビーム照射装置に於い
て、前記ビーム引出し電極部を、所定の間隔を保持して
並設した複数枚の電極孔を有する曲面状電極から構成し
たことを特徴とする中性粒子ビーム照射装置。
【請求項２】アークチャンバー内の放電ガスを水素、
アルゴン、ヘリウム、炭化水素系ガス又はボロン系ガス
の何れかとした請求項１に記載の中性粒子ビーム照射装
置。
【請求項３】ビーム引出し電極部を、正電位を与えた
加速電極と負電位を与えた減速電極と接地電極の三枚の
曲面状電極から形成し、且つ各曲面状電極を同心の球面
状電極とした請求項１に記載の中性粒子ビーム照射装
置。
【請求項４】ビーム引出し電極部を形成する曲面状電
極を、円筒面若しくは回転楕円面を有する曲面状電極と
した請求項３に記載の中性粒子ビーム照射装置。
【請求項５】正電位を与えた加速電極とアークチャン
バーとの間の電位Ｖ_C-Eを可変とするようにした請求項
３に記載の中性粒子ビーム照射装置。