JPH0864392A - プラズマ閉じ込め用ミラー磁場発生器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 磁気エネルギーの利用効率を高めてミラー磁
場強度を上昇させることが可能で、プラズマチャンバー
の拡大や多種のイオンビームが生成でき、また、外部へ
の漏洩磁場を低減でき排気系にターボ分子ポンプを採用
しても、回転子の漏洩磁場による温度上昇の懸念がない
プラズマ閉じ込め用磁場発生器の提供。 【構成】 半径方向に互いに逆方向に磁化された２個の
主環状永久磁石１１ａ，１１ｂを同軸に所定間隔で配列
し、該一対のそれぞれの主磁石１１ａ，１１ｂの内側
に、半径方向にそれぞれの主磁石１１ａ，１１ｂと逆方
向かつ互いに逆方向に磁化された２個の補助環状永久磁
石１２ａ，１２ｂを、前記一対の主磁石１１ａ，１１ｂ
と同軸に所定間隔で配列し、軸方向に貫通した空洞の軸
端開口部１０ａ，１０ｂを開けて該磁石列全体を外側か
ら継鉄１０で被覆した構成により、該環状永久磁石列の
内径部に形成されるプラズマチャンバー１３に強力なミ
ラー磁場を生成させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、エネルギーの高いイ
オンを発生させる電子サイクロトロン共鳴加熱型イオン
源（ＥＣＲイオン源）に用いられるプラズマ閉じ込め用
ミラー磁場発生器に係り、プラズマ閉じ込めのための電
力が不要で外部への漏洩磁場が少ない永久磁石式ミラー
磁場発生器に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、素粒子や原子核の研究、質量分析
計、イオン注入、イオンビーム加工などの広い応用分野
が開拓・利用され、目的に応じて多種多様に開発されて
いるイオン源においては、大電流（多量）で良質のイオ
ンビームが要求されるようになっている。かかるイオン
源は、生成室にて導入された通常気体物質を種々の電離
方法でプラズマ化し、高密度状態に保ってイオンを生成
し、取り出し装置にて、該生成室側に高電圧を印加し
て、前記イオンを特定の方向へイオンビームとして取り
出す構成が一般的である。イオンビームの電流を大きく
するにはプラズマ密度と電子温度が高いことが必要であ
り、イオンビームの質、すなわち、イオンの運動のラン
ダムさを良くするにはイオン温度を低くすることが必要
である。

【０００３】プラズマを利用したデュオプラズマトロン
イオン源、ペニング（ＰＩＧ）・イオン源、ＲＦイオン
源、ＥＣＲイオン源など、種々構成からなるイオン源の
なかで、特に、ＥＣＲイオン源は、電子サイクロトロン
共鳴（ＥＣＲ）周波数に等しいマイクロ波をプラズマ中
に導入することによって、ＥＣＲ吸収過程でプラズマ中
の電子は選択的に加熱され、また、イオンサイクロトロ
ン周波数やイオンプラズマ周波数はＥＣＲ周波数に比べ
て極めて低いのでイオンが加熱されることはなく、結果
としてイオンの電離効率を高めて多種多様なイオンを生
成できる特長を備えており、さらに、他のイオン源と異
なり陰極を持たないため動作が安定的であり、長寿命で
ある点も注目されている。

【０００４】プラズマ中に導入されるマイクロ波電力の
うち、ビームとして取り出されるイオンの電離に利用さ
れるエネルギー以外は、生成室の壁面でイオンや電子が
消滅し損失となり利用されない。すなわち、プラズマは
生成室の内部で生成されるため、プラズマ密度を大きく
するには生成室の壁面に対する容積の比が大きいほう
（容積拡大）が有利である。さらに、ビーム取り出し軸
に沿った生成室内の磁場の強さが変化していて、生成室
の両端の磁場の強い部分（磁場の山）と中央部の磁場の
弱くて比較的平坦な部分（磁場の谷）からなるミラー磁
場により、荷電粒子が磁束の垂直な方向には逃げられ
ず、また平行方向にも磁場の山により反射されて、荷電
粒子が磁場の谷の部分に補足される現象（ミラー効果）
を応用したプラズマ閉じ込め用ミラー磁場発生器の利用
は、前述の生成室の壁面で消滅するイオンや電子を低減
しプラズマ密度の増大に効果的である。

【０００５】また、最近の多価イオン源に対する需要、
すなわち荷電量の多いイオンを生成するには、さらに電
子温度を上昇させるためにＥＣＲ周波数を上げる必要が
あり、よってさらに強いミラー磁場が必要とされてい
る。例えば、ミラー磁場発生器は、ＥＣＲ周波数が８Ｇ
Ｈｚのとき、磁場の山の強度が高々５ｋガウス（Ｇ）、
磁場の谷の強度が２．５ｋＧであり、その比率は２倍で
ある。前述の生成室、すなわちプラズマ閉じ込め域を形
成するミラー磁場発生器の一つとして、ソレノイドコイ
ルを利用したものが用いられてきた。しかし、プラズマ
閉じ込め域を大きくする（容積拡大）にはソレノイドコ
イル自体が大きくなり、これにともない消費電力が増大
し、また、磁場強度を大きくするにはソレノイドコイル
は通常空心なので大電流の投入が必要となり、さらに取
り出し装置における高電圧印加のための高耐圧対応を必
要とするなど、大がかりな給電装置が必要になり、運
転、設備費用がかさみ実用的でなく、取扱い上も煩雑で
長大かつ制御し難いという問題がある。

【０００６】該消費電力に係る問題がないミラー磁場発
生器の構成として、図３に示すような軸方向に磁化され
た環状の永久磁石を利用したものが提案されている。す
なわち、小径の環状永久磁石３を挟み大径の一対の環状
永久磁石１，２を同軸に配置した磁石列からなり、各環
状永久磁石１，２，３はそれぞれ同一の軸方向に磁化
（磁化方向を図中に矢印で示す）され、該環状永久磁石
の軸中心部にプラズマ生成室８が形成されている。な
お、図中の符号４，５は鉄製リング、６，７はカバーで
ある。かかる構成において、プラズマ生成室８を大きく
したり、ミラー磁場強度を上昇させるには、内外径を拡
大した体積の大きな磁石を用いたり、あるいは磁石特性
の優れた材料を使用することで対応可能ではあるが、こ
の磁気回路は磁石材料の持つ磁気エネルギーの利用効率
が高々２０％以下であり、また、ミラー磁場強度は残留
磁化Ｂｒの高々半分以下であることから、磁石製造上ま
た材料設計上自ずと限界がある。さらに、軸方向に磁化
した環状永久磁石列からなる磁気回路は、軸方向漏洩磁
場の環状内側を応用したものであるから、同時に環状外
側にも漏洩磁場が生起していることになり、例えば、残
留磁化Ｂｒ＝１２ｋＧの磁石特性の材料で構成された該
ミラー磁場発生器の場合、磁場の山の強度が６ｋＧであ
ると、その漏洩磁場は１．９ｋＧを越えている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】一方、ＥＣＲイオン源
の生成室に導入された中性粒子状の物質をプラズマに効
率よく電離し、かつプラズマ密度を大きく保つために、
生成室の蒸気圧は１０^-3〜１０^-2Ｔｏｒｒが適当であ
り、電離されない中性粒子が伴うのでイオン源動作中は
排気を続ける必要があるが、また、取り出し系では、高
電圧が印加されることとイオンビームが中性粒子によっ
て減衰しないようにさらに不純物の混入防止や放電状態
などの再現性のために、イオン源の排気系としては、排
気能力が大きく、イオン源の運転中持続でき、あらゆる
ガスに適用可能で、到達真空度の高いこと（１０^-6Ｔｏ
ｒｒ以下）が要求される。

【０００８】前記の条件を満足する真空排気系として
は、油による汚染と溜めこみガスの脱ガスの点から、タ
ーボ分子ポンプが適当である。ターボ分子ポンプは原理
上、羽根の周端速度を気体分子の熱運動速度と同程度と
する必要から、該羽根は、２０ｋ〜７０ｋ ｒｐｍ以上
の超高速で回転するので遠心力による破壊限界を軽減す
るため軽量なアルミ合金が使用されているが、温度が１
２０℃を越えると羽根の変形の危険性があり、さらに回
転子の羽根と固定子の羽根は接近しており、接触したり
すると破壊につながる。

【０００９】ところが、磁場中で例えばブレードなどの
金属が運動すると渦電流が発生して発熱することが知ら
れているように、前述の図３に示す軸方向に磁化した環
状永久磁石を利用したミラー磁場発生器では、該ターボ
分子ポンプのアルミ合金などの羽根が前述の外部に生起
された漏洩磁場と作用して発熱し、温度が上昇して１２
０℃を越えてポンプが破壊に至る問題があり、羽根を冷
却するにも超高速回転していることから困難を伴うた
め、昇温しないように１２０℃以下に保つためには漏洩
磁場は１００Ｇ以下であることが要求されるが、前述の
ごとく該ミラー磁場発生器では漏洩磁場が１．９ｋＧ以
上であり、ターボ分子ポンプを排気系に適用できないこ
ととなる。

【００１０】さらに、漏洩磁場は周囲の環境、特にトラ
ンスなど電源関係にも不都合を生じたり、作業する人体
にも悪影響を及ぼすので、漏洩磁場は小さいことが必要
である。また、前述の軸方向に磁化した環状永久磁石を
利用したミラー磁場発生器は、磁気エネルギーの利用効
率が悪くミラー磁場強度も強くないため、多種多様の目
的に十分に応じられないという問題がある。

【００１１】この発明は、上述したプラズマ閉じ込め用
ミラー磁場発生器についての従来の問題点に鑑み、永久
磁石式のミラー磁場発生器において、外部への漏洩磁場
を低減でき、排気系にターボ分子ポンプを採用しても回
転子の漏洩磁場による温度上昇の懸念がなく、また、磁
気回路の磁気エネルギーの利用効率を高めてミラー磁場
強度を上昇させることが可能で、プラズマ生成室の拡大
や多種のイオンビームが生成できるプラズマ閉じ込め用
磁場発生器の提供を目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】発明者は、上記の目的を
達成するために軸方向の磁場を発生させる環状永久磁石
について種々検討した結果、半径方向に互いに逆方向に
磁化された一対の主環状永久磁石を同軸に配列すること
により、軸方向に貫通した空洞内に軸方向の磁場が形成
され、かつ磁場強度は磁石材料の残留磁化Ｂｒに制限さ
れずに、一対の主環状永久磁石の逆方向に磁化された磁
場により顕著に強化されることから、磁気回路の小型
化、軽量化を図ることができ、さらに、該磁石列全体を
継鉄で被覆することにより外部への漏洩磁場が著しく軽
減できることに着目し、さらに、半径方向にそれぞれの
主環状永久磁石と逆方向かつ互いに逆方向に磁化された
一対の補助環状永久磁石を同軸に配列することにより、
プラズマ閉じ込めのためのミラー磁場に適した磁場分布
が得られることを知見し、かかる構成により外部への漏
洩磁場に起因する問題が解消でき、広い応用分野に利用
されるＥＣＲイオン源の多種多様の目的にも十分応じら
れるプラズマ閉じ込め用ミラー磁場発生器の実現できる
ことを知見し、この発明を完成した。

【００１３】すなわち、この発明は、半径方向でかつ相
互に逆方向に磁化された一対の主環状永久磁石を所定間
隔で同軸に配置し、半径方向でかつ相互に逆方向に磁化
された一対の補助環状永久磁石を各主環状永久磁石の磁
化方向と逆方向となるように主環状永久磁石の各対向面
側に所定間隔で同軸に配置した磁石列と、該磁石列で形
成される中心軸方向の円柱状空隙を望む軸端開口部を設
けた該磁石列全体を被覆する継鉄とからなることを特徴
とするプラズマ閉じ込め用ミラー磁場発生器である。ま
た、この発明は、上記の構成において、継鉄の厚みが主
環状永久磁石の軸方向長さの１／１０〜１／２であり、
外部への漏洩磁場が１００Ｇ以下であるプラズマ閉じ込
め用ミラー磁場発生器を併せて提案する。

【００１４】この発明において、一対の主環状永久磁
石、補助環状永久磁石はそれぞれ軸方向に分割して配列
することができ、さらに周方向に分割された磁石より形
成することができ、また、一対の補助環状永久磁石はそ
れぞれの対となる主環状永久磁石の内側に密着、若しく
は分離近接して配列することができるが、これらの構成
並びに主環状永久磁石および補助環状永久磁石の形状、
寸法は、対象とする応用分野のイオン源に求められるイ
オンビームの質、電流量、イオン種、およびイオン価数
などプラズマ閉じ込めのためのミラー磁場の、並びにビ
ーム取り出し系およびビームの利用ラインなど装置の目
的、用途により適宜選択される。永久磁石には、フェラ
イト磁石、アルニコ系磁石、希土類コバルト系磁石が使
用できるが、特に、ＲとしてＮｄやＰｒを中心とする資
源的に豊富な軽希土類を用い、Ｂ、Ｆｅを主成分として
３０ＭＧＯｅ以上の極めて高い磁気エネルギー積を示
す、Ｆｅ−Ｂ−Ｒ系永久磁石を使用することにより、著
しく小型化することができる。

【００１５】また、この発明において、一対の主環状永
久磁石と補助環状永久磁石からなる磁石列全体を外側か
ら継鉄で被覆すると、半径方向に互いに逆方向に磁化さ
れた一対の主環状永久磁石の間で外側に出る磁束は、継
鉄を通って還流しかつ磁気抵抗を減らすことが可能とな
り、ミラー磁場の磁場強度が向上し、また外部への漏洩
磁場が軽減されるという効果が生じるが、この効果を有
効にするために、該磁束に対して飽和しないだけの磁化
が継鉄に必要である。すなわち、該磁石列全体を外側か
ら被覆する継鉄の材料の飽和磁化が、例えば１８ｋＧ
（鉄の場合）、該磁石列外周表面の漏洩磁場の平均磁束
密度が３ｋＧとすると、継鉄に必要な厚みは該主環状永
久磁石の軸方向長さの１／１０以上であり、１／１０未
満では該磁束に対して飽和するため好ましくなく、ま
た、軸方向長さの１／２を越えると必要以上に重量がか
さみ装置体積も大きくなり好ましくないため、継鉄の厚
みは主環状永久磁石の軸方向長さの１／１０〜１／２の
範囲とする。

【００１６】

【作用】この発明によるプラズマ閉じ込め用ミラー磁場
発生器の作用を図面に基づいて詳述する。図１はミラー
磁場発生器の縦断面で中心軸から上側のみを示す縦断説
明図である。２個の主環状永久磁石１１ａ，１１ｂはそ
れぞれ半径方向でかつ相互に逆方向に磁化（磁化方向を
図中に矢印で示す、以下同様）されており、両磁石は同
軸配置に際して所定間隔で並列してあり、また、各主環
状永久磁石１１ａ，１１ｂの内側に、ここでは磁石端面
に着設させて２個の補助環状永久磁石１２ａ，１２ｂを
同軸配置するが、各磁石はそれぞれ半径方向で対になる
主環状永久磁石１１ａ，１１ｂとは逆方向に磁化され
て、一対の補助環状永久磁石１２ａ，１２ｂは相互に逆
方向に磁化されて所定間隔を置いて並列、同軸配置され
て磁石列を構成している。さらに、軸方向に貫通した空
洞、すなわち、主環状永久磁石１１ａ，１１ｂと補助環
状永久磁石１２ａ，１２ｂの内径部に形成されるプラズ
マ生成室１３を望むように軸端開口部１０ａ，１０ｂを
空けて該磁石列全体を外側から継鉄１０で被覆してあ
る。

【００１７】換言すると、両端面に所定の内径で軸端開
口部１０ａ，１０ｂを開口した円筒状の継鉄１０内に、
所定の半径方向に磁化された主環状永久磁石１１ａとこ
れとは逆の半径方向に磁化された小径の補助環状永久磁
石１２ａが主環状永久磁石１１ａの端面に着設されて同
軸配置された、一対の主環状永久磁石１１ａと補助環状
永久磁石１２ａと、補助環状永久磁石同志を対向させて
同様に同軸配置されて相互に逆の半径方向に磁化された
一対の主環状永久磁石１１ｂと補助環状永久磁石１２ｂ
とが、該軸端開口部１０ａ，１０ｂの軸方向に並列、同
軸配置されて磁石列を構成している。

【００１８】かかる磁気回路構成は、図１にコンピュー
ターによる磁束流れのシミュレーション結果を示すごと
く、外部への漏洩磁場を著しく軽減でき、磁気エネルギ
ーの利用効率を高めてプラズマ生成室１３内のミラー磁
場強度を上昇させることができる。図３に示す軸方向に
磁化された環状永久磁石を用いた構成と、図１のこの発
明による半径方向に磁化された環状永久磁石を用いた構
成における、磁化方向の違いが及ぼす作用の差異を、本
発明構成の従来構成に対する比率で表すと、磁石材料の
持つ磁気エネルギーの利用効率は４〜５倍、ミラー磁場
強度の残留磁化Ｂｒに対する比は倍以上、外部への漏洩
磁場は１／２０以下となり、この発明が著しくすぐれて
いることが明らかである。

【００１９】

【実施例】上述の図１に示すこの発明によるプラズマ閉
じ込め用ミラー磁場発生器を、以下に示す特性を有する
磁石を用いて下記諸元で製作した。 残留磁化Ｂｒ＝１２．１ｋＧ、保磁力ｉＨｃ＝１７ｋＯ
ｅ、 最大エネルギー積（ＢＨ）ｍａｘ＝３５ＭＧＯｅ （住
友特殊金属製、ＮＥＯＭＡＸ−３５Ｈ） 主環状永久磁石の寸法、外径：２８ｃｍ、内径：８ｃ
ｍ、軸方向長さ：１０ｃｍ 補助環状永久磁石の寸法、外径：１４ｃｍ、内径：１０
ｃｍ、軸方向長さ：３ｃｍ 主環状永久磁石の間隔：１６ｃｍ 補助環状永久磁石の間隔：１０ｃｍ 継鉄の材質、軟鉄（飽和磁化：１８ｋＧ以上）、寸法、
外径：３２ｃｍ、厚さ：２ｃｍ、長さ：４４ｃｍ。

【００２０】作成したミラー磁場発生器のミラー磁場を
測定して図２に示すように、磁場の谷の強度：３ｋＧ以
上、磁場の山の強度：６ｋＧ以上、２つの磁場の山の距
離：１５ｃｍ以上であり、外部への漏洩磁場は、継鉄角
部の近傍で５０Ｇ、同じく１ｃｍ隔離点で３０Ｇであっ
た。

【００２１】

【発明の効果】実施例に明らかなように、この発明によ
る半径方向に交互に逆方向に磁化された複数の環状永久
磁石を同軸に配列し、該磁石列全体を外側から継鉄で被
覆した構成からなるプラズマ閉じ込め用ミラー磁場発生
器は、磁場発生のための電力を必要とせずに６ｋＧ以上
の強力なミラー磁場を発生できるため、広い応用分野に
利用されるＥＣＲイオン源の多種多様の目的にも十分対
応でき、また、外部への漏洩磁場が５０Ｇ以下と著しく
軽減でき、排気系にターボ分子ポンプを採用しても、回
転子の漏洩磁場による温度上昇の懸念がなく、プラズマ
閉じ込めに適したミラー磁場発生器であり、また、イオ
ン源への電力供給が緩和できかつ小型化、軽量化が可能
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による半径方向に磁化された環状永久
磁石を利用したミラー磁場発生器の縦断面説明図であ
る。

【図２】図１のプラズマ閉じ込め用ミラー磁場発生器に
よるミラー磁場分布を示す軸方向とミラー磁場強度の関
係グラフである。

【図３】従来の軸方向に磁化された環状永久磁石を利用
したミラー磁場発生器の縦断面説明図である。

【符号の説明】

１，２，３ 環状永久磁石（軸方向磁化） ４，５ 鉄製リング ６，７ カバー ８ プラズマ生成室 １０ 継鉄 １０ａ，１０ｂ 軸端開口部 １１ａ，１１ｂ 主環状永久磁石（半径方向磁化） １２ａ，１２ｂ 補助環状永久磁石（半径方向磁化） １３ プラズマ生成室

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半径方向でかつ相互に逆方向に磁化され
   た一対の主環状永久磁石を所定間隔で同軸に配置し、半
   径方向でかつ相互に逆方向に磁化された一対の補助環状
   永久磁石を各主環状永久磁石の磁化方向と逆方向となる
   ように主環状永久磁石の各対向面側に所定間隔で同軸に
   配置した磁石列と、該磁石列で形成される中心軸方向の
   円柱状空隙を望む軸端開口部を設けた該磁石列全体を被
   覆する継鉄とからなることを特徴とするプラズマ閉じ込
   め用ミラー磁場発生器。
2. 【請求項２】 継鉄の厚みが主環状永久磁石の軸方向長
   さの１／１０〜１／２であり、外部への漏洩磁場が１０
   ０ガウス以下であることを特徴とする請求項１記載のプ
   ラズマ閉じ込め用ミラー磁場発生器。