JPH0757891A - イオン源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ［目的］ アーク電流が小さい時でも、安定化したイオ
ン電流を引出せるイオン源を提供すること。 ［構成］ 中間電極２とフィラメント１との間に接続さ
れる直流電源１１の正極とアノード電極３との間に抵抗
２０を接続させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はイオン源に関する。

【０００２】

【従来の技術及びその問題点】図３は従来例のデュオプ
ラズマトロン型のイオン源を示すものであるが、フィラ
メント１は磁性材で成る中間電極２内に設けられてお
り、これに直流電源１０が接続され、これを加熱するよ
うに構成されている。中間電極２は図示するようにノズ
ル形状を呈しており、この内部にガス導入パイプ１７が
明白に図示しないが一点鎖線で示すように真空室Ｗを画
成する壁部に真空保持用のガスフィールドスルーを介し
て導入されている。

【０００３】中間電極２と対向して非磁性材の金属で成
るアノード電極３が配設されており、この中心孔３ａは
上述の中間電極２のノズル孔２ａと整列している。更
に、アノード電極３を挟んで中間電極２と反対側には、
引出し電極６が配設されている。図示せずとも中間電極
２とアノード電極３との間及びアノード電極３との間に
絶縁円筒が挟着されており、これら電極間は相互に電気
的に絶縁されており、この全体は一点鎖線Ｗで示される
ように真空室内にあり、またこれら中間電極２、アノー
ド電極３は真空室Ｗの壁部とも電気的に絶縁されてい
る。

【０００４】上述したように、中間電極２、アノード電
極３は真空室Ｗ内に設けられているが、中間電極２の外
周に真空室Ｗの壁を介して、大気側に電磁コイル９が巻
装されており、これに直流電源１２が接続され、コイル
９の軸心に沿って磁束を発生させるように構成されてい
る。また、フィラメント１とアノード電極３との間には
アーク電源１１が接続され、この正極がアノード電極３
及び負極はフィラメント１に接続されている。更に、こ
の正電極は抵抗１３を介して中間電極２に接続されてい
る。

【０００５】電極２、３の軸線ｃに沿って右方には、円
すい形状の引出し電極６がその中心孔６ａを整列させて
配設されており、これには可変直流電源１６の負極側が
接続されているが、同時に接地されており、この正極側
はアノード電極３に接続されている。従来例のイオン源
は以上のように構成されるが、次に、その作用について
説明する。

【０００６】電磁コイル９に直流電源１２により電流が
通電されると、このコイルのターン数とこの電流との積
に比例した磁界がこの電磁コイル９の内外に形成され、
これは中間電極２と図示しない各ヨーク部材と、円筒状
の磁性体で成る被覆部材との間で磁気回路が形成され、
磁力線が中間電極２、アノード電極３のそれぞれノズル
孔２ａ、中心孔３ａを結ぶ軸心ｃに沿って磁束が流れ
る。

【０００７】フィラメントの加熱電源１０により、フィ
ラメント１は２０００℃ないし３０００℃に加熱され、
これによりフィラメント１の表面から熱電子が放出され
る。また、図では示されていないが、材料タンクからイ
オンの材料となるガス（もしくは蒸気）をパイプ１７を
介して中間電極２内に導入される。また、一方で、アー
ク電源１１から約１００ボルトの電圧がアノード電極
３、カソードとしてのフィラメント１に印加されてい
る。このような状態で中間電極２内の空間に宇宙線など
が通過することにより発生したイオンと電子の内、イオ
ンはフィラメント１に向かって移動し、また電子は中間
電極２の内壁に向かって加速され、その電子が中間電極
２の室内に導入された材料ガスの中性分子と衝突し、更
にイオンと電子を発生させる。即ち、カスケード（雪崩
現象）的にイオンと電子が発生し、よってプラズマが形
成される。即ち、宇宙線がこのプラズマ発生のトリガー
となったわけである。勿論、トリガーはこれに限られな
い。

【０００８】この時、中間電極２の壁内に流れ込んだ電
子は、電子電流として抵抗１３を介してアーク電源１１
に流入する。この時、この中間電極２の電位はこの電子
による電流と抵抗１３の抵抗値の積に相当する電圧降下
で低下し、よって、アノード電極３と中間電極２との間
に電位差が生じる。これにより中間電極２に達したプラ
ズマは、更にアノード電極３にまで到達する。この時、
大部分の電子群はアノード電極３に流入することにより
アノード電極３、アーク電源１１、カソード１との間で
回路が形成され、この時点でプラズマがアノード電極３
まで到達したことになる。上述したように、アノード電
極３の中心孔３ａを磁束が通っているので、この磁場に
より電子が束縛される。

【０００９】尚、以上の構成においてフィラメント１と
中間電極２との間に接続されている電源１１及びアノー
ド電極３と引出し電極６との間に接続されている電源１
６など全てその両側の電極は、フィラメント１、中間電
極２、引出し電極６にケーブルを介して接続されてい
る。

【００１０】電磁コイル９に通電する電流によりその中
心軸に沿って磁場が発生するので、中心軸ｃ付近にプラ
ズマが閉じ込められ、アノード電極３の近傍に電子密度
の高いプラズマが形成される。そして、アノード電極３
の近傍に形成されたプラズマからイオンが引出し電極６
に印加された電源１６によりアノード電極３に印加され
る電圧と引出し電極６によって形成される電場によって
引出し電源１６のマイナスの電位、即ち、接地電位まで
引出され、加速される。

【００１１】図４においては、アーク電流がμ秒オーダ
で揺れている時のアーク電源１１の出力電圧をオシロス
コープで観察した時の写真を示しており、又、図５にお
いては図４のイオン源の状態でイオンビームをイオン源
より引出しファラデーカップでイオンビーム電流を計測
した時のこの電流のオシロスコープの写真を示してい
る。図４においてアーク電圧は４０ボルトから７０ボル
トまで数１００μ秒（２８６μ秒）周期で変動してお
り、この時のデジタルテスターで計測された平均のアー
ク電圧は約５５Ｖである。なおアーク電流は０．５Ａで
あった。又、図５で示されるファラデーカップ電流は、
アーク電圧の変動の周期と同じ周期で電流値が変動して
いることを示しており、特にアーク電圧が低い状態の時
にはファラデーカップ電流も低くなっている。この周期
的な電圧の変動においてアーク電圧が低い時にはアノー
ド電極３とカソード１との間のアーク放電が消灯してい
るものと考えられる。つまりアーク放電は周期的にカソ
ード１とアノード電極３との間、又はカソード１と中間
電極２との間で交互に起こっていると考えられる。この
ようなイオン源では、定常なイオンビーム電流を導出す
ることはできない。

【００１２】

【発明が解決しようとする問題点】本発明は上述の問題
に鑑みてなされ、アーク電源の出力電圧を安定化させて
定常なイオンビーム電流を導出させることのできるイオ
ン源を提供することを目的とする。

【００１３】

【問題点を解決するための手段】以上の目的は、カソー
ドに整列して中空なる中間電極及びアノード電極をこれ
らの中心孔を整列して配設し、前記アノード電極と前記
カソード電極との間に直流電源を接続し、前記各中心孔
を通る軸方向に磁束を発生させる電磁コイルを備えたイ
オン源において、前記直流電源と前記アノード電極との
間に抵抗を接続させたことを特徴とするイオン源によっ
て達成される。

【００１４】

【作用】中間電極とアノード電極との間に直列に接続さ
れた抵抗により回路が定電流モードの特性に近づくこと
によりアーク電流の変動に対し、それに伴っての電圧変
動を補償するように作用する。以上のことから中間電極
からアノード電極に移った時のアーク電源の電圧変動を
押えることができ、よって、アーク電源の瞬時的消弧が
起こりにくくなる。よって、電圧が安定化する。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例によるイオン源につい
て図１を参照して説明する。尚、従来例に対応する部分
については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略す
る。

【００１６】即ち、本実施例においては中間電極２とア
ノード電極３との間に、即ち、アーク電源１１の正極端
子とアノード電極３との間に抵抗２０が接続される。こ
の抵抗値は例えば５〜１０Ωである。その他の構成は従
来例と全く同一である。従来例と同様に中間電極２とカ
ソード１との間でプラズマが発生し、これにより抵抗１
３（これは約１Ω）を介して電子電流が流れることによ
り、中間電極２の電位はアノード電極３に対し、この電
流×抵抗１３の抵抗値の電位だけ低くなることにより中
間電極２からプラズマはアノード電極３へと移行するの
であるが、これにより電子電流はアノード電極３から抵
抗値２０を介してアーク電源１１に流入する。これによ
り、アーク電源１１の両端のインピーダンスがこの抵抗
２０のインピーダンス分だけ変化することになるが、こ
れによりアーク電源１１が発振を引き起こすことを抑制
して、その出力電圧を安定化させることができる。よっ
て、引出し電極６から定常なイオンビーム電流を得るこ
とができる。

【００１７】以上、本発明の実施例を説明したが、勿
論、本発明はこれに限定されることなく本発明の技術的
思想に基づいて種々の変形が可能である。

【００１８】図２は上記実施例の変形例を示すものであ
るが、上記実施例に対応する部分については同一の符号
を付し、その詳細な説明は省略する。

【００１９】即ち、本イオン源は、いわゆるデュオプラ
ズマトロン型であって、アノード電極３を挟んで中間電
極２と反対側には磁性材でなる反射電極６が配設されて
おり、これは中間電極２とは線Ｒで表されているよう
に、電気的、磁気的に結合されている。反射電極６０の
中心孔６０ａには絶縁材（例えば、ボロンナイトライ
ド）でなる拡張カップ４及びこれに当接してイオン導通
孔５ａを備えたアパーチャ５が取り付けられている。

【００２０】又、反射電極６の軸心ｃに沿って外方には
円すい形状の遮蔽電極７が配設され、これには可変直流
電源１５の負極側が接続され、その正極側は接地されて
いる。そしてこの外方に上述した円すい形状の引出し電
極６が配設されている。電磁コイル９に直流を通電させ
ると軸心ｃに沿って磁束が流れ、中間電極２、反射電極
６０、及び図示しない円筒状の磁性体で磁気回路が形成
される。尚、又、本変形例では抵抗１３に直列にスイッ
チ１４が設けられており、放電が開始されてアノード電
極３にプラズマが到達したことは、例えば、アノード電
極３とカソード１とを結ぶ回路内に電流計を介在させれ
ば、この電流計が急激に０から大きく振れることにより
検知することができ、これにより中間電極２にはフィラ
メント１からの熱電子により負にチャージアップし、更
にそれに引き寄せられるように、中間電極２内のイオン
がこの内壁に接近し、いわば、中間電極内壁表面にシー
スが形成される。この時の中間電極２の電位はアノード
電極３の電位より数１０ボルト低くなり、また、これと
電気的に接続されている反射電極６０はこの中間電極２
の電位と同一になる。よって、カソードとしてのフィラ
メント１と反射電極６０との間に電子を閉じ込めるよう
なレベルの電位が形成され、磁場により中間電極２と反
射電極６０の間にイオンを閉じ込める働きをする。この
電子が中間電極２と反射電極６０との間で往復運動を繰
り返し、これによりこの間に存在しているイオンとの衝
突頻度が高くなって多価イオンが形成されることにな
る。特にこの変形例では、放出口アパーチャ５の外方を
向いた面に金属薄膜Ｍがスパッタ法により形成されてい
るが、これにより、このイオン源から引出されるイオン
ビームＩを所定の電流密度で発散角の小さいイオン流と
することができるのであるが、このようなイオン源にお
いても本発明に係る抵抗２０’をアノード電極３と電源
１１の正極との間に接続することにより、特にアーク電
圧の低い時において放電が開始した後のイオン電流を途
切れたりすることなく定常化させることができる。

【００２１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明のイオン源に
よれば、特にアーク電源電流が低い時の放電が発生した
後のイオン電流の途切れがなくなり定常化させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例によるイオン源の主要部の断面
図である。

【図２】変形例のイオン源の主要部の断面図である。

【図３】従来例のイオン源の主要部の断面図である。

【図４】同従来例のイオン源の作用を示すためのオシロ
スコープの波形を示すチャートである。

【図５】同様にそのファラデーカップ電流の波形を示す
チャートである。

【符号の説明】

２０ 抵抗 ２０’ 抵抗

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 カソードに整列して中空なる中間電極及
   びアノード電極をこれらの中心孔を整列して配設し、前
   記アノード電極と前記カソード電極との間に直流電源を
   接続し、前記各中心孔を通る軸方向に磁束を発生させる
   電磁コイルを備えたイオン源において、前記直流電源と
   前記アノード電極との間に抵抗を接続させたことを特徴
   とするイオン源。