JPH0668961B2 - 高速原子線源 - Google Patents
高速原子線源Info
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- JPH0668961B2 JPH0668961B2 JP2024386A JP2024386A JPH0668961B2 JP H0668961 B2 JPH0668961 B2 JP H0668961B2 JP 2024386 A JP2024386 A JP 2024386A JP 2024386 A JP2024386 A JP 2024386A JP H0668961 B2 JPH0668961 B2 JP H0668961B2
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- Japan
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- central axis
- anodes
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、中性化率が高くかつ大量の高速原子線を発生
することのできる高速原子線源に関するものである。
することのできる高速原子線源に関するものである。
［従来の技術］ 従来では、第５図に示す線源を用いて高速原子線を形成
している。同図に示すようにこの線源はAl製円筒３の両
端面3A,3B（直径30mm）を冷陰極とし、この円筒内に同
心状に陽極２を配置する一方、一方の冷陰極端面3Aにガ
ス導入孔１を設けると共に、冷陰極３を接地し、更に他
方の冷陰極端面3Bの中央部に直径1mmのビーム引出し孔
５を穿設してなるものである。このような構成の線源よ
り取り出されるビームは、イオンと原子とから成る混合
ビームである。この場合のイオン線と原子線の割合は、
実験の結果50％,50％であることが判明している。すな
わち、ビームの中性化率は50％である。
している。同図に示すようにこの線源はAl製円筒３の両
端面3A,3B（直径30mm）を冷陰極とし、この円筒内に同
心状に陽極２を配置する一方、一方の冷陰極端面3Aにガ
ス導入孔１を設けると共に、冷陰極３を接地し、更に他
方の冷陰極端面3Bの中央部に直径1mmのビーム引出し孔
５を穿設してなるものである。このような構成の線源よ
り取り出されるビームは、イオンと原子とから成る混合
ビームである。この場合のイオン線と原子線の割合は、
実験の結果50％,50％であることが判明している。すな
わち、ビームの中性化率は50％である。
従来、このビームの中性化率を増加あるいは制御するた
めに第６図に示す方法が採用されている。第６図に示さ
れるものは線源６から引き出された混合ビーム７をNeut
ralizer8に斜入射させて、混合ビーム７中のイオンの電
荷を変換し、原子線を形成する方法である。この方法で
は、混合ビーム７がNeutralizer8に衝突する際に、その
多くが吸収，消失してしまい大量の原子線を得ることが
できない。更に、混合ビームがNeutralizer自身をスパ
ッタするため、電荷変換により得られるビーム９中にNe
utralizer8の原子が混入しビームの純度を低下させるお
それもある。
めに第６図に示す方法が採用されている。第６図に示さ
れるものは線源６から引き出された混合ビーム７をNeut
ralizer8に斜入射させて、混合ビーム７中のイオンの電
荷を変換し、原子線を形成する方法である。この方法で
は、混合ビーム７がNeutralizer8に衝突する際に、その
多くが吸収，消失してしまい大量の原子線を得ることが
できない。更に、混合ビームがNeutralizer自身をスパ
ッタするため、電荷変換により得られるビーム９中にNe
utralizer8の原子が混入しビームの純度を低下させるお
それもある。
［発明が解決しようとする問題点］ このように従来技術では、中性化率が約50％程度であ
り、かつ大量の高速原子線が得られない欠点があった。
り、かつ大量の高速原子線が得られない欠点があった。
本発明はこのような従来技術の問題点を解消し、中性化
率が高く、大量の高速原子線を発生する高速原子線源を
提供することを目的とする。
率が高く、大量の高速原子線を発生する高速原子線源を
提供することを目的とする。
［問題点を解決するための手段］ このような目的を達成するために、本発明では、筒状の
陰極の内部の陰極の中心軸に対称な位置に、中心軸と平
行に２本の棒状の陽極を配設し、陰極と２本の陽極間に
直流電圧を印加してグロー放電を誘起せしめ、筒状の陰
極の両端面の少なくとも一方にはグロー放電中のプラズ
マから陰極の中心軸方向にイオンを取り出すためのビー
ム放出孔が設けられている。
陰極の内部の陰極の中心軸に対称な位置に、中心軸と平
行に２本の棒状の陽極を配設し、陰極と２本の陽極間に
直流電圧を印加してグロー放電を誘起せしめ、筒状の陰
極の両端面の少なくとも一方にはグロー放電中のプラズ
マから陰極の中心軸方向にイオンを取り出すためのビー
ム放出孔が設けられている。
また本発明では、筒状の陰極の内部の陰極の中心軸に対
称な位置に、中心軸と平行に２本の棒状の陽極を配設
し、陰極と２本の陽極間に直流電圧を印加してグロー放
電を誘起せしめ、筒状の陰極の両端面の少なくとも一方
にはグロー放電中のプラズマから陰極の中心軸方向にイ
オンを取り出すためのビーム放出孔が設けられ、さらに
陰極の外周に中心軸と垂直方向の磁界を発生する手段が
設けられている。
称な位置に、中心軸と平行に２本の棒状の陽極を配設
し、陰極と２本の陽極間に直流電圧を印加してグロー放
電を誘起せしめ、筒状の陰極の両端面の少なくとも一方
にはグロー放電中のプラズマから陰極の中心軸方向にイ
オンを取り出すためのビーム放出孔が設けられ、さらに
陰極の外周に中心軸と垂直方向の磁界を発生する手段が
設けられている。
［作用］ 棒状の陽極と筒状陰極との間にガスを介在させて低圧ガ
ス放電を生じさせると、陰極から放出された電子は陽極
を中心として陰極間で振動し、その途中で多くの気体ガ
スの分子、原子と衝突してイオンを生ずる。さらに筒状
陰極の外周に装着された磁石によって、放電空間内の電
子は磁力線にからみつくように螺施運動するため、電子
の実効的な飛程が大きくなり気体分子との衝突により放
電空間内に大量のイオンが生成される。放電空間内に形
成されたイオンは、陽極と円筒陰極の端面との間に形成
される電界によって輸送され、ビーム放出孔付近で電子
と結合し高速原子線となる。
ス放電を生じさせると、陰極から放出された電子は陽極
を中心として陰極間で振動し、その途中で多くの気体ガ
スの分子、原子と衝突してイオンを生ずる。さらに筒状
陰極の外周に装着された磁石によって、放電空間内の電
子は磁力線にからみつくように螺施運動するため、電子
の実効的な飛程が大きくなり気体分子との衝突により放
電空間内に大量のイオンが生成される。放電空間内に形
成されたイオンは、陽極と円筒陰極の端面との間に形成
される電界によって輸送され、ビーム放出孔付近で電子
と結合し高速原子線となる。
［実施例］ 以下に図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明す
る。
る。
実施例１ 第１図（Ａ），（Ｂ）は本発明の一実施例の構成の概要
を示す図であり、同図（Ａ）は円筒状の冷陰極３の中心
軸に沿った断面図、同図（Ｂ）は正面図である。冷陰極
３内に冷陰極の円筒軸に平行な２本の棒状陽極2A,2Bが
ある。円筒状冷陰極の端面3A,3Bにはそれぞれガス導入
孔1,ビーム放出孔５が設けられている。
を示す図であり、同図（Ａ）は円筒状の冷陰極３の中心
軸に沿った断面図、同図（Ｂ）は正面図である。冷陰極
３内に冷陰極の円筒軸に平行な２本の棒状陽極2A,2Bが
ある。円筒状冷陰極の端面3A,3Bにはそれぞれガス導入
孔1,ビーム放出孔５が設けられている。
このような構成の高速原子線源は、次のように使用す
る。まず、ガス導入孔１よりAr等の不活性ガスを放電空
間内に導入し、次いで陽極2A,2Bに数kV〜10kV程度の直
流正電圧を印加する。２本の棒状陽極2A,2Bとその両側
の冷陽極の側面部（以後陰極側部という）4A,4Bの間で
グロー放電が生じ、この時陰極側部4Aまたは4Bから放出
される電子10は、陽極2A,2Bに向って加速し、棒状の陽
極2A,2Bの中央部を貫通して反対側の陰極側部4Aまたは4
Bに達し、ここで速度をいったん失ない停止し、あらた
めて陽極に向けて加速され以後同様の運動を繰り返す。
この時の電子10の運動軌跡を（Ｂ）図に実線で示す。こ
の時陰極から放出された電子は陽極2A（2B）を中心に次
の式で与えられるような高周波振動を呈する。
る。まず、ガス導入孔１よりAr等の不活性ガスを放電空
間内に導入し、次いで陽極2A,2Bに数kV〜10kV程度の直
流正電圧を印加する。２本の棒状陽極2A,2Bとその両側
の冷陽極の側面部（以後陰極側部という）4A,4Bの間で
グロー放電が生じ、この時陰極側部4Aまたは4Bから放出
される電子10は、陽極2A,2Bに向って加速し、棒状の陽
極2A,2Bの中央部を貫通して反対側の陰極側部4Aまたは4
Bに達し、ここで速度をいったん失ない停止し、あらた
めて陽極に向けて加速され以後同様の運動を繰り返す。
この時の電子10の運動軌跡を（Ｂ）図に実線で示す。こ
の時陰極から放出された電子は陽極2A（2B）を中心に次
の式で与えられるような高周波振動を呈する。
この運動はバルクハウゼン−クルツの振動（Ｂ−Ｋ振
動）と呼ばれる。
動）と呼ばれる。
ここで、ｄは、陽極2A,2Bを結ぶ軸と陰極側部4Aあるい
は4B間の距離（cm）、Ｖは陽極に印加した正電圧（Ｖ）
の値である。例えばＶは3000V,dは2cm程度であるから20
0MHz程度の振動を行っていることになる。放電空間内で
はこのような電子の高周波振動により、電子は多くの気
体ガスと衝突して大量のイオンを生成する。また、この
場合の線源内のガス圧は、10-2〜10-3Torrであり、ま
た、線源内では放電におけるパッシェンの法則に基づい
てビーム引出し方向と垂直方向の振動が支配的になるよ
うに設計してある。
は4B間の距離（cm）、Ｖは陽極に印加した正電圧（Ｖ）
の値である。例えばＶは3000V,dは2cm程度であるから20
0MHz程度の振動を行っていることになる。放電空間内で
はこのような電子の高周波振動により、電子は多くの気
体ガスと衝突して大量のイオンを生成する。また、この
場合の線源内のガス圧は、10-2〜10-3Torrであり、ま
た、線源内では放電におけるパッシェンの法則に基づい
てビーム引出し方向と垂直方向の振動が支配的になるよ
うに設計してある。
一方、２本の棒状陽極2A,2Bと陰極端面3A,3B間には、電
界Ｅが形成されているため、放電空間内で生じたイオン
11は両陰極端面3A,3Bに向って加速される。このうち陰
極端面3Bに飛来したイオンは、数kV程度の運動エネルギ
ーを有しており一部は、陰極端面3Bに衝突して二次電子
を放電せしめる。放出された二次電子は、初速度が数十
eVと低いため大きな衝突断面積を有しており、大半が後
続のイオンと結合して高速原子線となる。このようにし
てビーム放出孔５より高速原子線を取り出すことができ
る。
界Ｅが形成されているため、放電空間内で生じたイオン
11は両陰極端面3A,3Bに向って加速される。このうち陰
極端面3Bに飛来したイオンは、数kV程度の運動エネルギ
ーを有しており一部は、陰極端面3Bに衝突して二次電子
を放電せしめる。放出された二次電子は、初速度が数十
eVと低いため大きな衝突断面積を有しており、大半が後
続のイオンと結合して高速原子線となる。このようにし
てビーム放出孔５より高速原子線を取り出すことができ
る。
次に、本発明の高速原子線源の試験結果について説明す
る。なお、線源より引き出されるビームは、高速の原子
線であるためイオン電流に換算した値を電流値とした。
また、ビーム中性化率とは、全ビーム中の高速原子線の
割合を示している。第２図に、本発明の高速原子線源か
ら取り出される高速原子線のビーム電流，ビーム中性化
率と放電電流との関係を示す。本線源では140mAの放電
電流でビーム電流30μＡ／cm2,中性率ほぼ100％のビー
ムが得られる。
る。なお、線源より引き出されるビームは、高速の原子
線であるためイオン電流に換算した値を電流値とした。
また、ビーム中性化率とは、全ビーム中の高速原子線の
割合を示している。第２図に、本発明の高速原子線源か
ら取り出される高速原子線のビーム電流，ビーム中性化
率と放電電流との関係を示す。本線源では140mAの放電
電流でビーム電流30μＡ／cm2,中性率ほぼ100％のビー
ムが得られる。
実施例２ 第３図（Ａ），（Ｂ）に本発明の他の実施例を示す。本
実施例の特徴は冷陰極３の外周に磁石13が設けられてお
り、同図（Ａ）に示すようにＺ軸方向に磁界Ｂを発生さ
せている点にある。その他は第１図（Ａ），（Ｂ）に示
した実施例１と同じである。磁石としては、電磁石，永
久磁石等が使用でき、小型な永久磁石が便利である。
実施例の特徴は冷陰極３の外周に磁石13が設けられてお
り、同図（Ａ）に示すようにＺ軸方向に磁界Ｂを発生さ
せている点にある。その他は第１図（Ａ），（Ｂ）に示
した実施例１と同じである。磁石としては、電磁石，永
久磁石等が使用でき、小型な永久磁石が便利である。
このような構成の高速原子線源は次のように使用する。
まず、ガス導入孔１よりAr等の不活性ガスを放電空間内
に導入し、次いで、陽極２に数kV〜10kV程度の直流電圧
を印加する。２本の棒状陽極2A,2Bとその両側の冷陰極
側部4A,4Bの間でグロー放電が生じ、この時、冷陰極側
部4Aまたは4Bから放出される電子10は、陽極2Bまたは2A
に向って加速し、棒状の２本の陽極2A,2Bの中央部を貫
通して反対側の冷陰極側部4Aまたは4Bに達し、ここで速
度を失っていったん停止し、あらためて陽極に向けて加
速され、以後同様の運動を繰り返す。すなわち冷陰極側
部4Aまたは4Bより放出された電子は、陽極を中心にＢ−
Ｋ振動を行い、その途中で多くの気体ガスの原子、分子
と衝突して大量のイオン11を生成する。この場合の線源
内のガス圧は10-2〜10-3Torrであり、また、線源内で
は、放電におけるパッシェンの法則に基づいて、ビーム
引出し方向と垂直方向の振動が支配的となるように設計
してある。
まず、ガス導入孔１よりAr等の不活性ガスを放電空間内
に導入し、次いで、陽極２に数kV〜10kV程度の直流電圧
を印加する。２本の棒状陽極2A,2Bとその両側の冷陰極
側部4A,4Bの間でグロー放電が生じ、この時、冷陰極側
部4Aまたは4Bから放出される電子10は、陽極2Bまたは2A
に向って加速し、棒状の２本の陽極2A,2Bの中央部を貫
通して反対側の冷陰極側部4Aまたは4Bに達し、ここで速
度を失っていったん停止し、あらためて陽極に向けて加
速され、以後同様の運動を繰り返す。すなわち冷陰極側
部4Aまたは4Bより放出された電子は、陽極を中心にＢ−
Ｋ振動を行い、その途中で多くの気体ガスの原子、分子
と衝突して大量のイオン11を生成する。この場合の線源
内のガス圧は10-2〜10-3Torrであり、また、線源内で
は、放電におけるパッシェンの法則に基づいて、ビーム
引出し方向と垂直方向の振動が支配的となるように設計
してある。
また、本実施例では、磁界Ｂを第３図のＺ軸方向に印加
しているため冷陰極側部4Aあるいは4Bより第３図のＺ軸
方向に対し角度θ（すなわち磁界Ｂとなす角度θ）で放
出された電子10が磁界Ｂから受けるローレンツ力Ｆは次
式で与えられる。
しているため冷陰極側部4Aあるいは4Bより第３図のＺ軸
方向に対し角度θ（すなわち磁界Ｂとなす角度θ）で放
出された電子10が磁界Ｂから受けるローレンツ力Ｆは次
式で与えられる。
Ｆ＝ｖ・sinθ・eB （２） ただし ｖは電子の速度 ｅは電子の電荷 このローレンツ力Ｆは、電子10の運動方向および磁界Ｂ
の方向とに垂直な方向に作用し、遠心力とつり合うので
下式が成立する。
の方向とに垂直な方向に作用し、遠心力とつり合うので
下式が成立する。
ただし ｍは電子の質量 ｒは電子が円運動を行う半径 また、電子の運動エネルギーは、次のように表現でき
る。
る。
ただし、Ｖは陽極に印加した電圧 したがって、（２），（３），（４）式より電子が円運
動を行う半径ｒは次式で表わされる。
動を行う半径ｒは次式で表わされる。
（５）式は、電子が磁力線のまわりにからみつくように
螺旋運動を行い、その回転半径が中央ほど大きく両側に
近づくほど小さくなることを示している。
螺旋運動を行い、その回転半径が中央ほど大きく両側に
近づくほど小さくなることを示している。
したがって、電子10が電極系内部で発散させずにまた陽
極に衝突せずに運動するために、棒状電極の間隔Ｌが回
転半径ｒに比べ大きくなるように設計してある。
極に衝突せずに運動するために、棒状電極の間隔Ｌが回
転半径ｒに比べ大きくなるように設計してある。
一方、２本の棒状陽極2A,2Bと陰極端面3A,3B間には、電
界Ｅが形成されているため、放電空間内に生じた大量の
イオンは両陰極端面3A,3Bに加速される。冷陰極端面3B
に飛来したイオンは数kV程度の運動エネルギーを有して
おり、一部は、冷陰極端面3Bに衝突して二次電子を放出
する。放出された二次電子は、初速度が数十eVと低いた
め大きな衝突断面積を有しており、大半が後続のイオン
と結合し大量の高速原子線が生成される。
界Ｅが形成されているため、放電空間内に生じた大量の
イオンは両陰極端面3A,3Bに加速される。冷陰極端面3B
に飛来したイオンは数kV程度の運動エネルギーを有して
おり、一部は、冷陰極端面3Bに衝突して二次電子を放出
する。放出された二次電子は、初速度が数十eVと低いた
め大きな衝突断面積を有しており、大半が後続のイオン
と結合し大量の高速原子線が生成される。
第４図は、線源に永久磁石を付加した場合のビーム電
流，中性化率を永久磁石を付加しない場合と比較して示
したものである。磁石を用いることにより約３倍大きな
電流が得られ、さらに中性化率も増大し、放電電流40mA
で95％程度となる。
流，中性化率を永久磁石を付加しない場合と比較して示
したものである。磁石を用いることにより約３倍大きな
電流が得られ、さらに中性化率も増大し、放電電流40mA
で95％程度となる。
［発明の効果］ 以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、ビー
ム引出し方向に沿って配置した２本の棒状の陽極の外周
に筒状の冷陰極を配置した構成の線源により、高速原子
線が得られる。さらに、線源に磁石を付加することによ
りビーム電流，ビーム中性化率を共に増加することがで
きる。
ム引出し方向に沿って配置した２本の棒状の陽極の外周
に筒状の冷陰極を配置した構成の線源により、高速原子
線が得られる。さらに、線源に磁石を付加することによ
りビーム電流，ビーム中性化率を共に増加することがで
きる。
第１図（Ａ），（Ｂ）は本発明の一実施例を示す概略構
成図で、同図（Ａ）は陰極の中心軸に沿う断面図、同図
（Ｂ）は正面図、 第２図は第１図の実施例によるビーム電流，中性化率と
放電電流との関係を示す図、 第３図（Ａ），（Ｂ）は本発明の他の実施例を示す概略
構成図で、同図（Ａ）は陰極の中心軸に沿う断面図、同
図（Ｂ）は正面図、 第４図は第３図の実施例によるビーム電流，中性化率を
示す図、 第５図（Ａ），（Ｂ）は従来の線源を示す図で、同図
（Ａ）は断面図、同図（Ｂ）は正面図、 第６図は混合ビームをNeutralizerに斜入射する様子を
示した図である。 １……ガス導入孔、 ２……陽極、 2A,2B……棒状陽極、 ３……冷陰極、 3A,3B……陰極端面、 4A,4B……陰極側部、 ５……ビーム放出孔、 ６……線源、 ７……混合ビーム、 ８……Neutralzier、 ９……ビーム、 10……電子、 11……イオン、 12……高速原子線、 13……磁石。
成図で、同図（Ａ）は陰極の中心軸に沿う断面図、同図
（Ｂ）は正面図、 第２図は第１図の実施例によるビーム電流，中性化率と
放電電流との関係を示す図、 第３図（Ａ），（Ｂ）は本発明の他の実施例を示す概略
構成図で、同図（Ａ）は陰極の中心軸に沿う断面図、同
図（Ｂ）は正面図、 第４図は第３図の実施例によるビーム電流，中性化率を
示す図、 第５図（Ａ），（Ｂ）は従来の線源を示す図で、同図
（Ａ）は断面図、同図（Ｂ）は正面図、 第６図は混合ビームをNeutralizerに斜入射する様子を
示した図である。 １……ガス導入孔、 ２……陽極、 2A,2B……棒状陽極、 ３……冷陰極、 3A,3B……陰極端面、 4A,4B……陰極側部、 ５……ビーム放出孔、 ６……線源、 ７……混合ビーム、 ８……Neutralzier、 ９……ビーム、 10……電子、 11……イオン、 12……高速原子線、 13……磁石。
Claims (2)
- 【請求項１】筒状の陰極の内部の該陰極の中心軸に対称
な位置に、該中心軸と平行に２本の棒状の陽極を配設
し、前記陰極と前記２本の陽極間に直流電圧を印加して
グロー放電を誘起せしめ、前記筒状の陰極の両端面の少
なくとも一方にはグロー放電中のプラズマから前記陰極
の中心軸方向にイオンを取り出すためのビーム放出孔が
設けられていることを特徴とする高速原子線源。 - 【請求項２】筒状の陰極の内部の該陰極の中心軸に対称
な位置に、該中心軸と平行に２本の棒状の陽極を配設
し、前記陰極と前記２本の陽極間に直流電圧を印加して
グロー放電を誘起せしめ、前記筒状の陰極の両端面の少
なくとも一方にはグロー放電中のプラズマから前記陰極
の中心軸方向にイオンを取り出すためのビーム放出孔が
設けられ、さらに前記陰極の外周に前記中心軸と垂直方
向の磁界を発生する手段が設けられていることを特徴と
する高速原子線源。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2024386A JPH0668961B2 (ja) | 1986-02-03 | 1986-02-03 | 高速原子線源 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2024386A JPH0668961B2 (ja) | 1986-02-03 | 1986-02-03 | 高速原子線源 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62180942A JPS62180942A (ja) | 1987-08-08 |
| JPH0668961B2 true JPH0668961B2 (ja) | 1994-08-31 |
Family
ID=12021751
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2024386A Expired - Fee Related JPH0668961B2 (ja) | 1986-02-03 | 1986-02-03 | 高速原子線源 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0668961B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01302645A (ja) * | 1988-02-08 | 1989-12-06 | Anelva Corp | 放電装置 |
| JPH02123640A (ja) * | 1988-11-01 | 1990-05-11 | Anelva Corp | 放電装置 |
| JP4818977B2 (ja) * | 2006-04-27 | 2011-11-16 | パナソニック株式会社 | 高速原子線源および高速原子線放出方法ならびに表面改質装置 |
| DE112019002155T5 (de) | 2018-04-26 | 2021-06-10 | National University Corporation Tokai National Higher Education And Research System | Atomstrahlgenerator, bonding-einrichtung, oberflächenmodifikationsverfahren und bonding-verfahren |
-
1986
- 1986-02-03 JP JP2024386A patent/JPH0668961B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62180942A (ja) | 1987-08-08 |
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