JPH0817374A

JPH0817374A - 負イオン銃

Info

Publication number: JPH0817374A
Application number: JP6146605A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kume; 久米　　博
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1994-06-28
Filing date: 1994-06-28
Publication date: 1996-01-19

Abstract

(57)【要約】【目的】Ｈｅ^-などの負イオンの生成効率が高い負イ
オン銃を提供する。【構成】アーク放電等で生成した励起ガスビーム（Ｈ
ｅ^*やＨｅ⁺）をスキマー２を通過させ、次いでビーム
中のイオン種を除去した後に、ビームに希ガスリドベル
グ原子を衝突させて、ビーム中に含まれる準安定粒子
（Ｈｅ^*）をリドベルグ原子からの共鳴的な電子移動に
より負イオン（Ｈｅ^-）に変換し、この負イオンを加速
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばタンデム型静電
加速器の前段に配置される負イオン銃に関する。

【０００２】

【従来の技術】２〜３MeV 程度の正イオンビームを比較
的小型な装置で得る場合、一般にタンデム型静電加速器
が用いられることが多い。ただし、この加速器では、そ
の前段において負イオン（希ガス：Ｈｅ^-等）ビームを
発生する必要がある。

【０００３】ところが、希ガス、特にＨｅにおいては、
その基底状態に電子は付着しない。そこで、Ｈｅ負イオ
ン（Ｈｅ^-）の生成は、従来、次に示すような方法で行
われている。まず、アーク放電等の適当な方法でＨｅ正
イオン（Ｈｅ⁺）を生成し、これを１０KeV 程度に加速
して、その正イオンビームをアルカリ金属蒸気が存在す
るセル内を通過させ、荷電変換つまりアルカリ金属原子
（Ａ）からの電子移動によってＨｅ^-を生成する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、アルカ
リ金属からの電子移動は、i)Ｈｅ⁺＋Ａ→Ｈｅ^*(2³S；
準安定状態）、ii) Ｈｅ^*＋Ａ→Ｈｅ^-(2⁴P) という２
段階の過程を経るため、この方式の負イオン銃では、Ｈ
ｅ⁺→Ｈｅ^-の変換効率は高々１％程度にすぎない。ま
た、荷電変換にアルカリ金属を利用することから、その
取り扱いが難しい点、さらには、アルカリ金属蒸気によ
る周囲の汚染が激しいため、装置メンテナンスを充分に
行う必要がある等の問題もある。

【０００５】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、負イオンの生成効率が高くしかも装置寿命の長
い負イオン銃を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの構成を、実施例に対応する図１を参照しつつ説明す
ると、本発明の負イオン銃は、励起ガスビームを出射す
るビーム発生源（アーク放電源）１とその出射口１ｄに
対して所定の距離を隔てた位置に配置されるスキマー２
を備えた室Ｃ1 と、この室Ｃ1 に対しスキマー２を通じ
て差動排気される排気室Ｃ2,Ｃ3 によって構成されてお
り、その排気室Ｃ2,Ｃ3 には、スキマー２を通過した励
起ガスビーム中に含まれるイオン種を当該ビーム軸から
偏向するための手段（例えば偏向電極３）と、そのイオ
ン種が除かれた後のビームに希ガスリドベルグ原子Ｒｇ
^**を衝突させる手段（例えば希ガス導入口５Ｉ，グリッ
ド５G1〜５G3及び電子発生用のフィラメント５F によっ
て構成される希ガスリドベルグ原子発生源５）と、この
衝突により生成されたイオンを加速する電極６が配置さ
れていることによって特徴づけられる。

【０００７】

【作用】まず、ビーム発生源１でアーク放電などにより
並進エネルギが高い（〜５eV）励起ガスビーム（Ｈ
ｅ⁺，Ｈｅ^*）を生成し、そのビームをスキマー２を通
過させて余分なガスを除去した後、イオン種を除去する
と、このビームは準安定状態の粒子（Ｈｅ^*）と基底状
態の粒子（Ｈｅ）のみを含む状態となる。そして、その
ようなＨｅ^*に希ガス（Ｈｅ）リドベルグ原子が衝突す
るとＨｅ^-が生成される。

【０００８】すなわち、リドベルグ状態（主量子数ｎ＞
２０の軌道）にあるＨｅ（Ｈｅ^**）がＨｅ^*に衝突する
と、Ｈｅ^*の電子親和力は８０meV で、Ｈｅ^**の最外殻
電子のエネルギが数十meV であるので、この電子は共鳴
的に極めて効率よくＨｅ^*に移動してＨｅ^-が生成され
る。

【０００９】

【実施例】図１は本発明実施例の構成図である。まず、
この例の負イオン銃は、全体として、三つの排気室Ｃ1,
Ｃ2,Ｃ3 によって構成されている。これらの各室は上流
側から順次に差動排気され、その最終段の第３の排気室
Ｃ3 は内圧が高真空（〜１０^-6Torr）に維持される。

【００１０】第１の排気室Ｃ1 にはアーク放電源１が配
置されている。このアーク放電源１は、励起ガスビーム
を発生するもので、カソード１ａ，中間電極１ｂ並びに
直径１mm程度の小孔１ｄを有するアノード１ｃによって
構成されている。また、第１の排気室Ｃ1 のビーム出口
にはスキマー２が配置されており、アーク放電源１から
出射したビームはスキマー２を通過して、第２の排気室
Ｃ2 に入る。

【００１１】第２の排気室Ｃ2 には、スキマー２を通過
したビーム中に存在するイオン種を除くための電場を形
成する偏向電極３が配置されており、そのイオン種が除
かれたビームは、コリメータ４を通過して第３の排気室
Ｃ3 に入る。

【００１２】なお、イオン種を除くための手段として、
偏向電極３に代えて偏向用の磁場を形成する磁場発生源
を、第２の排気室Ｃ2 内に配置してもよい。そして、第
３の排気室Ｃ3 には、希ガスリドベルグ原子発生源５と
加速電極６が順次に配置されている。

【００１３】希ガスリドベルグ原子発生源５は、３枚の
グリッド５G1，５G2及び５G3、電子発生用のフィラメン
ト５F 、並びに、第３の排気室Ｃ3 の壁体に設けられた
希ガス導入口５I によって構成されている。

【００１４】各グリッド５G1，５G2，５G3は、ビーム軸
を中心とする同心円の円筒形で、それぞれ、互いに所定
の間隔を隔てて、かつ互いに絶縁された状態で配置され
ている。さらにグリッド５G1，５G2，５G3の全体が第３
の排気室Ｃ3 の壁体に対して絶縁された状態で配置され
ている。また、フィラメント５F は、最外周のグリッド
５G3の側方周辺を囲うリング形状で、第３の排気室Ｃ3
の壁体に対して絶縁された状態で配置されている。そし
て、希ガス導入口５I には希ガス供給源（図示せず）が
接続され、この導入口５I を通じて希ガスＲｇ（例えば
Ｈｅ）が第３の排気室Ｃ3 の内部に注入される。

【００１５】なお、以上の構造の希ガスリドベルグ原子
発生源５において、フィラメント５F 並びに各グリッド
５G1〜５G3には、それぞれ個別の値の電圧が電源（図示
せず）によって印加される。

【００１６】次に、本発明実施例の作用を述べる。ま
ず、アーク放電源１では、Ｈｅを１気圧程度の圧力で封
入し、この状態で放電を発生させる。このアーク放電に
より、アノード１ｃの小孔１ｄからはＨｅ^*及びＨｅ⁺
などが噴出するが、この圧力領域では噴出したＨｅ^*や
Ｈｅ⁺は高い並進エネルギ（５eV程度）をもつ超音速ビ
ームとなり、スキマー２を通過する。

【００１７】ここで、スキマー２はアーク放電源１から
噴出したビームのみを効率よく次段の第２の排気室Ｃ2
へと進行させるものである。また、このようなスキマー
２を設けて余分なガスを除くといったことは、第２の排
気室Ｃ2 及び第３の排気室Ｃ3 における排気負担を軽減
させることと、これに加えて、生成したＨｅ^*が残留ガ
スとの衝突によって脱励起されるのを防ぐ役割もある。
なお、スキマー通過後の超音速ビーム中にはＨｅ^*と他
の原子が含まれるが、ビーム中ではその両者の衝突は殆
ど起こらない。

【００１８】次いで、第２の排気室Ｃ2 に進入したビー
ムは、ここでイオン種が除かれ、この時点でＨｅ^*と基
底状態のＨｅのみを含む状態となり、この状態のビーム
がコリメータ４を通過して第３の排気室Ｃ3 に入る。

【００１９】さて、第３の排気室Ｃ3 において、各グリ
ッド５G1，５G2及び５G3に、それぞれ、この排気室Ｃ3
に対して、例えばＧ1V＝−３０Ｖ，Ｇ2V＝−１５０Ｖ及
びＧ3V＝−５０Ｖの電圧を印加し、さらにフィラメント
５F に同様に電圧ＦV ＝−１００Ｖを印加した状態を保
持すると、フィラメント５F から電子ｅ（〜30eV）が放
出され、この電子ｅの衝撃によって、希ガス導入口５I
を通じて注入された希ガスＲｇが励起されてイオン（Ｒ
ｇ⁺）化したり、あるいはリドベルグ状態（Ｒｇ^**）に
なる。ここで、電子ｅは中間のグリッド５G2で、またイ
オン（Ｒｇ⁺）は最内周のグリッド５G1によってそれぞ
れ反射され、これによって、ビームに照射されるのはリ
ドベルグ原子Ｒｇ^**のみとなる。そして、Ｈｅ^*はＲｇ
^**との衝突によって負イオンＨｅ^-となり、その負イオ
ンＨｅ^-が加速電極６でもって加速されて適当なエネル
ギをもつ負イオンビームが生成される。

【００２０】ここで、以上の構造の負イオン銃を運転す
る際には、Ｈｅ^*の量をあらかじめ測定しておくことが
必要となるが、その測定の手法としては、例えばＮｉ板
と高電子増倍管等によって構成されるＨｅ^*検出装置
を、希ガスリドベルグ原子発生源５に代えて配置し、こ
の状態で、アーク放電源１からＨｅ^*をＮｉ板にＨｅ^*
を衝突させ、そのＮｉ板から放出される２次電子（約２
０eV）を高電子増倍管を検出する等の測定法を採用す
る。

【００２１】そして、以上の測定法で得られた検出値つ
まりＨｅ^*の量が、最大となるように、アーク放電源１
へのＨｅの封入圧力及びその放電電圧（電流）並びに放
電源１の小孔（ビーム出射口）１ｄとスキマー２との間
の距離Ｄなどのパラメータを決定する。さらに、その条
件設定が完了した後に、試運転を行いつつ、希ガスリド
ベルグ原子発生源５のフィラメント５F への印加電圧を
調整して生成Ｈｅ^-の量が最大となるようにする。

【００２２】なお、希ガスＲｇとしては、Ｈｅ，Ｎｅ，
Ａｒ，ＫｒあるいはＸｅなどの不活性ガスが挙げられる
が、Ｈｅ負イオン銃として使用する場合、先の作用の項
で述べた共鳴的な電子移動の効率面を考慮すると、Ｈｅ
（Ｈｅ^**）を用いることが好ましい。

【００２３】ここで、本発明実施例で使用したアーク放
電源１は、効率のよい原子状水素発生源ともなるため、
Ｈｅに代えてＨ₂を封入すれば、この例のイオン銃はＨ
負イオン銃としても使用できる。

【００２４】また、以上の実施例では、準安定励起ガス
（Ｈｅ^*）を生成する方法としてアーク放電を採用して
いるが、これに代えて、例えばマイクロ波放電等の他の
励起法を採用しても、本発明は実施可能である。

【００２５】さらに、以上の実施例において、第２と第
３の排気室Ｃ2 とＣ3 とは、装置構成上において排気負
担の増大が許容できるのであれば、それらを一つの排気
室で構成することも可能である。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
アーク放電等で準安定励起ガス、例えばＨｅ^*を生成
し、そのＨｅ^*に希ガスリドベルグ原子Ｒｇ^**を衝突さ
せて共鳴的な電子移動によりＨｅ^*をＨｅ^-に変換する
ので、負イオンを高い生成効率で得ることができる。従
って、本発明の負イオン銃を、例えばタンデム型静電加
速器等の装置に適用すれば、その装置全体の稼働率の向
上をはかることができる。

【００２７】また、本発明によると、電子源が配置され
る排気室は、励起ガスビーム源が配置される室に対して
差動排気され、その内圧が高真空に維持されることか
ら、電子源の寿命が長くなる結果、負イオン銃自体の稼
働効率も高くなる。

【００２８】さらに、本発明の負イオン銃では、アルカ
リ金属を用いることなく負イオンを生成するので、装置
内の汚染がなくメンテナンスフリーの達成が可能で、し
かも汚染物質が後段に流出することがなくなることか
ら、タンデム静電型加速器などへの汚染の影響もない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の構成図

【符号の説明】

１アーク放電源１ｄ小孔（ビーム出射口）２スキマー３偏向電極４コリメータ５希ガスリドベルグ原子発生源５I 希ガス導入口５G1〜５G3 グリッド５F フィラメント（電子放出用）６加速電極Ｃ1,Ｃ2,Ｃ3 排気室

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】励起ガスビームを出射するビーム発生源
とその出射口に対して所定の距離を隔てた位置に配置さ
れるスキマーを備えた室と、この室に対し上記スキマー
を通じて差動排気される排気室によって構成され、その
排気室には、上記スキマーを通過した励起ガスビーム中
に含まれるイオン種を当該ビーム軸から偏向するための
手段と、そのイオン種が除かれた後のビームに希ガスリ
ドベルグ原子を衝突させる手段と、この衝突により生成
されたイオンを加速する電極が配設されてなる負イオン
銃。