JPH1154075A - Ion beam generating device - Google Patents

Ion beam generating device

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JPH1154075A
JPH1154075A JP20612697A JP20612697A JPH1154075A JP H1154075 A JPH1154075 A JP H1154075A JP 20612697 A JP20612697 A JP 20612697A JP 20612697 A JP20612697 A JP 20612697A JP H1154075 A JPH1154075 A JP H1154075A
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JP
Japan
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cathode
trigger
cathodes
discharge
ion beam
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Application number
JP20612697A
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Japanese (ja)
Inventor
Tadashi Kumakiri
正 熊切
Atsushi Munemasa
淳 宗政
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Kobe Steel Ltd
Original Assignee
Kobe Steel Ltd
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Publication date
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Publication of JPH1154075A publication Critical patent/JPH1154075A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ion beam generating device capable of surely generating pulse-like vacuum arc discharge ignited frequently repeatedly in a long time operation and realizing high reliability and reduction of manufacturing cost. SOLUTION: In this device having an anode 19 and a plurality of cathodes 16A to 16D, pulse-like vacuum arc discharge ignited, with a trigger discharge used as a trigger, between the plurality of cathodes 16A to 16D and the anode 19, is generated in fixed order, a cathode substance being vaporized from cathode vaporizing surfaces and ionized, an ion beam is taken out consisting of cathode substance ions of the respective cathodes 16A to 16D. A vacuum arc igniting mechanism is provided which is adapted such that the trigger discharge is generated by causing a trigger electrode 3 to make contact with, and part from, a plurality of the cathodes 16A to 16D in fixed order by rotating the single trigger electrode 3.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】真空アーク放電を利用したイ
オンビーム発生装置は、真空雰囲気下で、アノード(陽
極)と導電性材料物質(例えばTi)からなるカソード
(陰極)との間に、カソードでのトリガー放電を引き金
にして点弧される真空アーク放電を発生させ、これによ
ってカソード蒸発面からカソード物質(カソード材料)
を蒸発させイオン化し、このカソード物質イオンを含む
プラズマを生成させ、該プラズマに電界をかけてカソー
ド物質イオンからなるイオンビームを装置外部に引き出
すようにしたものである。この発明は、真空アーク放電
を利用したイオンビーム発生装置に関し、詳しくは、ア
ノードと複数のカソードとを有し、これら複数のカソー
ドにその定められた順に、該カソードへのトリガー放電
(パイロットアーク放電)を引き金にして前記アノード
との間に点弧されるパルス的な真空アーク放電を発生さ
せて、前記各カソードのカソード物質イオンからなるイ
オンビームを取り出すようにしたイオンビーム発生装置
の改良に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION An ion beam generator utilizing a vacuum arc discharge is a device in which a cathode is placed between an anode and a cathode made of a conductive material (eg, Ti) in a vacuum atmosphere. A vacuum arc discharge that is ignited by the trigger discharge of the cathode, thereby generating a cathode material (cathode material) from the cathode evaporation surface
Is evaporated and ionized to generate plasma containing the cathode material ions, and an electric field is applied to the plasma to extract an ion beam composed of the cathode material ions to the outside of the apparatus. The present invention relates to an ion beam generator using a vacuum arc discharge, and more particularly, to an ion beam generator having an anode and a plurality of cathodes, and a trigger discharge (pilot arc discharge) to the plurality of cathodes in a predetermined order. ) As a trigger to generate a pulsed vacuum arc discharge that is ignited between the anode and the anode to extract an ion beam composed of cathode material ions of each of the cathodes. It is.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、切削工具,金型,機械部品などの
長寿命化を目的として、イオンビームを利用した耐磨耗
性皮膜の形成技術が注目されている。例えば、工具鋼表
面に高融点金属の窒化物であるTiN 膜を形成するに先立
ち、該皮膜の密着性向上を目的として、Tiイオンをイオ
ン注入するというイオン注入を前処理として利用する方
法が行われている。また、皮膜形成とイオン注入とを同
時に行うダイナミックミキシング法により、例えば工具
鋼表面にTiN の耐磨耗性皮膜を形成することが行われて
いる。
2. Description of the Related Art In recent years, for the purpose of extending the life of cutting tools, dies, mechanical parts, and the like, a technique for forming an abrasion-resistant film using an ion beam has attracted attention. For example, prior to forming a TiN film, which is a nitride of a high melting point metal, on a tool steel surface, a method utilizing ion implantation of ion implantation of Ti ions as a pretreatment for the purpose of improving the adhesion of the film is performed. Have been done. In addition, for example, a wear-resistant TiN film is formed on a tool steel surface by a dynamic mixing method in which film formation and ion implantation are simultaneously performed.

【0003】このように用いられるイオンビームを生成
させるためのイオンビーム発生装置の一つとして、真空
アーク放電を利用したイオンビーム発生装置が知られて
いる。図4は従来のイオンビーム発生装置の構成を示す
構成説明図、図5は図4のA−A線断面図である。
[0003] As one of ion beam generators for generating an ion beam used in this manner, an ion beam generator using vacuum arc discharge is known. FIG. 4 is a configuration explanatory view showing the configuration of a conventional ion beam generator, and FIG. 5 is a sectional view taken along line AA of FIG.

【0004】図4および図5に示すように、従来のイオ
ンビーム発生装置は、内部が真空引きされる真空容器
11と、真空容器11内に設けられた通電用端子を兼ねた
カソードホルダ(陰極支持導体)12と、円柱状をな
し、前記カソードホルダ12に交換可能に取り付けられた
複数、この例では4個のカソード16A,16B,16C,16
Dと、真空容器11内の前記カソード16A〜16Dの前方
に設けられた円環状をなす1個のアノード19と、前記
4個のカソード16A,16B,16C,16Dごとに設けら
れ、それぞれカソード蒸発面16A1,16B1,16C1,16D1
絶縁部材17A,17B,17C,17Dを介して接触している
リング付きトリガー電極13A,13B,13C,13Dと、
各リング付きトリガー電極13A,13B,13C,13Dごと
に設けられ、それぞれリング付きトリガー電極に高周波
の高電圧を極めて短時間印加し、該トリガー電極13A,
13B,13C,13Dとカソード蒸発面16A1,16B1,16C1
16D1との間に、前記絶縁部材17A,17B,17C,17D表
面に沿う沿面放電形態のトリガー放電を起こすためのト
リガー電源14A,14B,14C,14Dと、前記4個のカ
ソード16A,16B,16C,16Dにその定められた順にト
リガー放電を起こすべく各トリガー電源14A,14B,14
C,14Dによる高電圧印加時期を制御する放電制御装置
15と、プラス側端子がアノード19に、マイナス側端子
がカソードホルダ12にそれぞれ電気的に接続されてお
り、アノード19と、前記放電制御装置15によって順にト
リガー放電が行われるカソード16A,16B,16C,16D
との間に、該トリガー放電を引き金にして点弧される時
間が数ms以下という短時間のパルス的な真空アーク放
電を発生させるアーク電源18と、イオンビーム引出し
用の電源21,22、及び真空容器11内のアノード19前方の
プラズマ室20に設けられたイオンビーム引出し用のグリ
ッド23,24,25とにより構成され、前記真空アーク放電
によって生成されたプラズマに電界を印加し、各カソー
ド16A,16B,16C,16Dのカソード物質イオンからな
るイオンビームを装置外部に引き出すイオンビーム引出
し手段と、を備えている。
[0004] As shown in FIGS. 4 and 5, a conventional ion beam generating apparatus has a vacuum vessel whose inside is evacuated.
11, a cathode holder (cathode support conductor) 12 provided also in the vacuum vessel 11 and serving also as a current-carrying terminal, and a plurality of cylinders, four of which are interchangeably attached to the cathode holder 12, in this example, four Cathodes 16A, 16B, 16C, 16
D, one annular anode 19 provided in front of the cathodes 16A to 16D in the vacuum vessel 11, and provided for each of the four cathodes 16A, 16B, 16C, and 16D. surface 16A 1, 16B 1, 16C 1 , 16D 1 in the insulating member 17A, 17B, 17C, ringed trigger electrode 13A in contact through 17D, 13B, 13C, and 13D,
Each of the trigger electrodes 13A, 13B, 13C, and 13D is provided for each of the trigger electrodes 13A, 13B, 13C, and 13D.
13B, 13C, 13D and the cathode evaporation surface 16A 1, 16B 1, 16C 1 ,
Between 16D 1, wherein the insulating member 17A, 17B, 17C, trigger power 14A for causing the trigger discharge of a surface discharge form along the 17D surface, 14B, 14C, 14D and the four cathodes 16A, 16B, Each of the trigger power supplies 14A, 14B, and 14C is used to cause a trigger discharge in the predetermined order in 16C and 16D.
Discharge control device for controlling high voltage application timing by C and 14D
The negative terminal 15 is electrically connected to the anode 19, and the negative terminal is electrically connected to the cathode holder 12. The anode 19 and the cathodes 16A, 16B, 16C, in which trigger discharge is sequentially performed by the discharge control device 15. , 16D
And an arc power supply 18 for generating a short-time pulsed vacuum arc discharge in which the firing time is triggered by the trigger discharge as several milliseconds or less, and power supplies 21 and 22 for extracting ion beams, and An ion beam extraction grid 23, 24, 25 provided in a plasma chamber 20 in front of an anode 19 in a vacuum vessel 11 is configured to apply an electric field to the plasma generated by the vacuum arc discharge and to apply an electric field to each cathode 16A. , 16B, 16C, and 16D, and an ion beam extracting means for extracting an ion beam composed of cathode material ions to the outside of the apparatus.

【0005】そして、前記したリング付きトリガー電極
13A,13B,13C,13Dは、それぞれ、先端部に導電性
を有するリング状のトリガーリング13A1,13B1,13C1
13D1が接続されてなるものであり、これにより、円筒状
をなす絶縁部材17A,17B,17C,17Dを介してカソー
ド蒸発面16A1,16B1,16C1,16D1に接触している。これ
ら複数、この例では4個のリング付きトリガー電極13A
〜13D、4個の絶縁部材17A〜17D、4個のトリガー電
源14A〜14D、及び放電制御装置15は、定められた順に
従って順次各カソードに真空アーク放電起動用(点弧
用)のトリガー放電を起こすための真空アーク点弧機構
を構成している。このようなイオンビーム発生装置が、
前述したダイナミックミキシング処理を行う内部が真空
引きされた表面改質処理用真空容器VCにイオン源として
連結されている。なお、カソード16A〜16Dを構成する
材料の具体例としては、例えば長時間運転を行うため4
個全てがTi(チタン)からなる場合が挙げられる。
The above-mentioned trigger electrode with a ring
13A, 13B, 13C, and 13D are ring-shaped trigger rings 13A 1 , 13B 1 , 13C 1 , and the like, each having a conductive end portion.
13D 1 is connected to the cathode evaporating surfaces 16A 1 , 16B 1 , 16C 1 , and 16D 1 via the cylindrical insulating members 17A, 17B, 17C, and 17D. A plurality of these, in this example four, trigger electrodes 13A with a ring
To 13D, four insulating members 17A to 17D, four trigger power supplies 14A to 14D, and a discharge control device 15 for sequentially triggering a vacuum arc discharge (for firing) to each cathode in a predetermined order. And a vacuum arc firing mechanism for causing a vacuum arc. Such an ion beam generator,
The interior for performing the above-described dynamic mixing process is connected as an ion source to a vacuum chamber VC for surface reforming process which is evacuated. In addition, as a specific example of a material constituting the cathodes 16A to 16D, for example, a material for performing long-time operation is used.
There is a case where all of them are made of Ti (titanium).

【0006】次に、このように構成されるイオンビーム
発生装置の動作を説明する。まず、放電制御装置15から
の指令を受けた第1番目のトリガー電源14Aによって、
第1番目のリング付きトリガー電極13Aに高電圧が極め
て短時間印加されることにより、該トリガー電極13Aの
トリガーリング13A1と第1番目のカソード16Aの先端面
であるカソード蒸発面16A1との間に、絶縁部材17Aの表
面に沿う沿面放電形態のトリガー放電が発生する。そし
て、このアーク起動用のトリガー放電を引き金にして、
第1番目のカソード16Aの蒸発面16A1とアノード19との
間に、アーク放電継続時間tが数ms以下、例えばt=
1msというパルス的な短時間の真空アーク放電が発生
する。これにより、カソード蒸発面16A1からカソード物
質(例えばTi)を蒸発させイオン化し、該カソード物質
イオンを含むプラズマが生成する。なお、前記アーク放
電継続時間tはアーク電源18に内蔵されたコントローラ
によって予め設定されるようになっている。
Next, the operation of the ion beam generator configured as described above will be described. First, the first trigger power supply 14A receiving a command from the discharge control device 15
By high voltage is very short is applied to the first ring with the trigger electrode 13A, the cathode evaporation surface 16A 1 is a triggering 13A 1 of the trigger electrode 13A and the front end surface of the first cathode 16A In the meantime, a trigger discharge in the form of a creeping discharge along the surface of the insulating member 17A is generated. Then, triggered by the trigger discharge for starting the arc,
Between the evaporation surface 16A1 of the first cathode 16A and the anode 19, the arc discharge duration time t is several ms or less, for example, t =
A pulse-like short-time vacuum arc discharge of 1 ms occurs. Thus, ionized from the cathode evaporation surface 16A 1 is evaporated cathode material (e.g. Ti), plasma containing the cathode material ion is generated. The arc discharge duration time t is set in advance by a controller built in the arc power supply 18.

【0007】この第1番目のカソード16Aとアノード19
間のパルス的な真空アーク放電が消弧してから所定の短
時間経過後、次に、放電制御装置17からの指令を受けた
第2番目のトリガー電源14Bによって、第2番目のリン
グ付きトリガー電極13Bに高電圧が極めて短時間印加さ
れることにより、該トリガー電極13Bのトリガーリング
13B1と第2番目のカソード16Bの蒸発面16B1との間に、
絶縁部材17B表面に沿う沿面放電形態のトリガー放電が
発生する。このトリガー放電を引き金にして、カソード
蒸発面16B1とアノード19との間に、継続時間t=1ms
の真空アーク放電が発生し、これによりカソード蒸発面
16B1からそのカソード物質を蒸発させイオン化し、該カ
ソード物質イオンを含むプラズマが生成する。
The first cathode 16A and the anode 19
After a lapse of a predetermined short time after the pulsating vacuum arc discharge is extinguished, the second trigger power supply 14B, which has received a command from the discharge control device 17, supplies a second trigger with a ring. When a high voltage is applied to the electrode 13B for a very short time, the triggering of the trigger electrode 13B is performed.
Between 13B 1 and the evaporation surface 16B 1 of the second cathode 16B,
A trigger discharge in the form of a creeping discharge along the surface of the insulating member 17B occurs. By this trigger discharge trigger, between the cathode evaporation surface 16B 1 and the anode 19, the duration t = 1 ms
Vacuum arc discharge occurs, which causes the cathode evaporation surface
Ionized from 16B 1 is evaporated and the cathode material, the plasma containing the cathode material ion is generated.

【0008】そしてこのような動作が、この例では、4
個のカソード16A〜16Dについて、第1番目カソード16
A、第2番目カソード16B、第3番目カソード16C、第
4番目カソード16Dの順で繰り返されて(図3参照)、
4個のカソード16A〜16Dのカソード物質を含むプラズ
マが生成される。例えば、各カソード16A〜16Dについ
て、それぞれ、6パルス/s(6回/s)の放電頻度で
繰り返して真空アーク放電が行われる。
[0008] Such an operation is, in this example, 4
For the cathodes 16A to 16D, the first cathode 16A
A, the second cathode 16B, the third cathode 16C, and the fourth cathode 16D are repeated in this order (see FIG. 3),
A plasma is generated containing the cathode material of four cathodes 16A-16D. For example, vacuum arc discharge is repeatedly performed on each of the cathodes 16A to 16D at a discharge frequency of 6 pulses / s (6 times / s).

【0009】各カソード16A〜16Dのカソード物質イオ
ンと電子とが混在したプラズマは、円環状をなすアノー
ド19の開口部を通過してプラズマ室20へ導かれる。プラ
ズマ室20内には、アノード19側から順に、加速グリッド
23、サプレッサグリッド24及びグランドグリッド25が設
けられている。これら3つのグリッド23,24,25はそれ
ぞれ開口部を有しており、加速グリッド23は加速電源21
によって正の高電位に保持され、サプレッサグリッド24
はサプレッサ電源22によって負の電位に保持され、また
グランドグリッド25は接地されている。これにより、プ
ラズマ室20内の前記プラズマにはグリッド23,25間に生
じる電界が作用し、該プラズマから前記カソード16A〜
16Dのカソード物質イオンだけが取り出され、これらの
カソード物質イオンからなるイオンビームが、前述した
ダイナミックミキシング処理を行う表面改質処理用真空
容器VC内に引き出されるようになっている。ここで、サ
プレッサグリッド24は、前記真空容器VC内に存在する自
由電子のプラズマ室20内への逆流を防止するために設け
られている。
The plasma in which the cathode material ions and electrons of each of the cathodes 16A to 16D are mixed is guided to the plasma chamber 20 through the opening of the annular anode 19. In the plasma chamber 20, the accelerating grid
23, a suppressor grid 24 and a ground grid 25 are provided. Each of these three grids 23, 24, and 25 has an opening.
Held at a positive high potential by the suppressor grid 24
Is maintained at a negative potential by a suppressor power supply 22, and the ground grid 25 is grounded. As a result, an electric field generated between the grids 23 and 25 acts on the plasma in the plasma chamber 20, and the plasma generates the cathodes 16A to 16A.
Only 16D cathode material ions are extracted, and an ion beam composed of these cathode material ions is extracted into the surface modification vacuum vessel VC for performing the above-described dynamic mixing process. Here, the suppressor grid 24 is provided to prevent back flow of free electrons existing in the vacuum vessel VC into the plasma chamber 20.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】前述した従来のイオン
ビーム発生装置では、リング付きトリガー電極のトリガ
ーリングとカソード蒸発面との間に絶縁部材を設け、ト
リガーリングとカソード蒸発面との間に発生させるトリ
ガー放電を前記絶縁部材表面に沿う沿面放電形態となる
ようにしたものであるから、長時間運転において真空ア
ーク放電によるカソード蒸発物質の一部が時間経過にと
もなって前記絶縁部材表面に付着堆積し、トリガーリン
グとカソード蒸発面との間が、導電性の前記蒸発物質を
介して絶縁破壊が生じて電気的短絡状態となることがあ
った。このため、該カソード蒸発面へのトリガー放電が
発生しないためにそのトリガー放電に引き続くべき真空
アーク放電が発生せず、所定のイオンビームが得られな
いという問題があった。
In the above-mentioned conventional ion beam generator, an insulating member is provided between the trigger ring of the trigger electrode with a ring and the cathode evaporation surface, and the ion beam is generated between the trigger ring and the cathode evaporation surface. Since the trigger discharge to be performed is in the form of a creeping discharge along the surface of the insulating member, part of the cathode evaporating substance due to the vacuum arc discharge adheres and deposits on the surface of the insulating member over time during a long operation. However, between the trigger ring and the cathode evaporating surface, dielectric breakdown may occur through the conductive evaporating substance, resulting in an electrical short circuit. For this reason, there is a problem in that a trigger discharge to the cathode evaporation surface does not occur, so that a vacuum arc discharge that should follow the trigger discharge does not occur, and a predetermined ion beam cannot be obtained.

【0011】この発明は、このような点に鑑みてなされ
たもので、アノードと複数のカソードとを有し、これら
複数のカソードにその定められた順に、該カソードへの
トリガー放電を引き金にして前記アノードとの間に点弧
されるパルス的な真空アーク放電を発生させて、前記各
カソードのカソード物質イオンからなるイオンビームを
取り出すイオンビーム発生装置において、トリガー電極
をカソード蒸発面に機械的に接触・離脱させる真空アー
ク点弧機構を設けることにより、頻繁に繰り返し点弧さ
せるパルス的な真空アーク放電を長時間運転においても
確実に発生させることができ、また、簡単な構造により
一個のトリガー電極で複数のカソードに対するトリガー
放電を行え、よって、信頼性が高く、製作コストの低減
も実現できるイオンビーム発生装置を提供することを目
的とする。
The present invention has been made in view of such a point, and has an anode and a plurality of cathodes. The plurality of cathodes are triggered by a trigger discharge to the cathodes in a predetermined order. In an ion beam generator that generates a pulsed vacuum arc discharge that is ignited between the anode and the cathode to extract an ion beam composed of cathode material ions of each of the cathodes, a trigger electrode is mechanically attached to a cathode evaporation surface. By providing a vacuum arc firing mechanism for contact and detachment, a pulsed vacuum arc discharge that is repeatedly fired repeatedly can be reliably generated even during long-time operation. Trigger discharges to multiple cathodes can be performed at the same time. And to provide a beam generator.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、この発明によるイオンビーム発生装置は、アノー
ドと複数のカソードとを有し、前記複数のカソードにそ
の定められた順に、該カソードへのトリガー放電を引き
金にして前記アノードとの間に点弧されるパルス的な真
空アーク放電を発生させ、カソード蒸発面からカソード
物質を蒸発させイオン化し、前記各カソードのカソード
物質イオンからなるイオンビームを取り出すイオンビー
ム発生装置において、単一のトリガー電極を回転させる
ことにより、前記複数のカソードにその定められた順に
該トリガー電極を接触・離脱させてトリガー放電を起こ
すようにした真空アーク点弧機構を備えていることを特
徴とするものである。
In order to achieve the above object, an ion beam generator according to the present invention has an anode and a plurality of cathodes, and the plurality of cathodes are arranged in a predetermined order. Triggered discharge to the anode generates a pulsed vacuum arc discharge that is ignited between the anode and the anode, evaporates and ionizes the cathode material from the cathode evaporation surface, and comprises ions of the cathode material ions of the respective cathodes. In an ion beam generator for extracting a beam, a single trigger electrode is rotated to cause the plurality of cathodes to contact / separate the trigger electrodes in a predetermined order to cause a trigger arc to generate a trigger discharge. It is characterized by having a mechanism.

【0013】この発明によるイオンビーム発生装置で
は、1個のトリガー電極を有し、このトリガー電極を回
転させることにより、定められた順に従って順次複数の
カソードの蒸発面への該トリガー電極の接触・引離しを
行ってトリガー放電を起こすようにした真空アーク点弧
機構を備えたものであるから、前記した沿面放電形態の
トリガー放電に起因するトリガー電極・カソード蒸発面
間の短絡事故の恐れがなく、頻繁に繰り返し点弧させる
パルス的な真空アーク放電を長時間運転においても確実
に発生させることができ、また、1個のトリガー電極を
該トリガー電極先端が各カソード蒸発面を順に結ぶ円を
描くように回転させることでこれらのカソードに対する
トリガー放電を行え、従来装置とは違って、複数のカソ
ードごとにトリガー電極及びトリガー電源を設ける必要
がない。
The ion beam generator according to the present invention has one trigger electrode, and by rotating this trigger electrode, the trigger electrode is brought into contact with the evaporation surfaces of a plurality of cathodes sequentially in a predetermined order. Since it is provided with a vacuum arc firing mechanism that causes a trigger discharge by performing separation, there is no danger of a short circuit accident between the trigger electrode and the cathode evaporation surface caused by the trigger discharge in the creeping discharge mode described above. A pulse-like vacuum arc discharge that is repeatedly fired repeatedly can be reliably generated even in a long-time operation, and one trigger electrode is drawn in a circle in which the tip of the trigger electrode connects each cathode evaporation surface in order. In this way, a trigger discharge can be performed on these cathodes by rotating them in such a way that, unlike the conventional device, trigger discharge is performed for each of a plurality of cathodes. There is no need to provide a pole and a trigger power source.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて図面を参照して説明する。図1はこの発明によるイ
オンビーム発生装置の構成を示す構成説明図、図2は図
1のA−A線断面図である。ここで本例では、前記した
図4及び図5に示される従来のイオンビーム発生装置と
同一部分には図4及び図5と同一の符号を付すことによ
りその説明を省略する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration explanatory view showing the configuration of an ion beam generator according to the present invention, and FIG. 2 is a sectional view taken along line AA of FIG. Here, in this example, the same parts as those of the conventional ion beam generator shown in FIGS. 4 and 5 are denoted by the same reference numerals as in FIGS. 4 and 5, and the description thereof is omitted.

【0015】図1及び図2に示すように、内部が真空度
2×10-4Pa程度に真空引きされる真空容器1内に
は、通電用端子を兼ねたカソードホルダ2が配置されて
いる。全体として円柱状をなすカソードホルダ2には、
小径の軸心貫通孔と、カソードホルダ端面においてホル
ダ軸心を中心とする同一円周上における90°等分角度
位置をそれぞれ中心として、ホルダ軸方向に延びる4個
の貫通孔とが設けられている。4個のカソード16A〜16
Dは、それぞれこのカソードホルダ2の前記4個の貫通
孔に嵌め込まれることで交換可能に取り付けられてい
る。
As shown in FIGS. 1 and 2, a cathode holder 2 serving also as a current-carrying terminal is disposed in a vacuum vessel 1 whose inside is evacuated to a degree of vacuum of about 2 × 10 −4 Pa. . The cathode holder 2, which has a cylindrical shape as a whole,
A small-diameter axial through-hole and four through-holes extending in the axial direction of the holder around the center axis of the holder axis on the same circumference on the same circumference on the end surface of the cathode holder are provided. I have. Four cathodes 16A-16
D is exchangeably mounted by being fitted into the four through holes of the cathode holder 2 respectively.

【0016】トリガー電極3は、その回転軸部3aの一
端に、該軸部3aに対し直角方向(カソードホルダ2半
径方向)に延び且つその先端が折り曲げられたL字形の
回転アーム部3bを連結してなるものある。このトリガ
ー電極3はその回転軸部3aがカソードホルダ2の前記
軸心貫通孔に嵌め込まれた絶縁円筒4に挿入されて回転
可能に支持されており、さらに絶縁円筒4を経て真空容
器1外へ引き出された回転軸部3aの基端は、トリガー
電極3を速度調整可能に回転駆動するトリガー電極回転
装置5のモータ(図示省略)に連結されている。すなわ
ち、トリガー電極回転装置5によって回転軸部3aを回
転させることにより、トリガー電極3の先端(回転アー
ム部3bの先端)が、該軸部3aを回転中心として円を
描くようにこの例では時計回りに移動し、カソード蒸発
面16A1→カソード蒸発面16B1→カソード蒸発面16C1→カ
ソード蒸発面16D1の順に繰り返しながら、各カソード蒸
発面に接触・離脱(接触後のカソード蒸発面からの引き
離し)するようになされている。なお、トリガー電極3
は例えばタングステンのような非消耗性の導電性材料よ
りなるものである。
The trigger electrode 3 is connected to one end of a rotating shaft 3a of an L-shaped rotating arm 3b extending in a direction perpendicular to the shaft 3a (radial direction of the cathode holder 2) and having a bent end. There is something. The trigger electrode 3 is rotatably supported by inserting its rotary shaft portion 3a into an insulating cylinder 4 fitted in the axial through hole of the cathode holder 2 and further rotatably supporting the trigger electrode 3 through the insulating cylinder 4. A base end of the drawn-out rotating shaft portion 3a is connected to a motor (not shown) of the trigger electrode rotating device 5 that drives the trigger electrode 3 to rotate so that the speed can be adjusted. That is, by rotating the rotating shaft 3a by the trigger electrode rotating device 5, the tip of the trigger electrode 3 (the tip of the rotating arm 3b) draws a circle with the shaft 3a as the center of rotation in this example. Moving around the cathode evaporating surface 16A 1 → cathode evaporating surface 16B 1 → cathode evaporating surface 16C 1 → cathode evaporating surface 16D 1 while contacting / separating (e.g. (Separation). In addition, the trigger electrode 3
Is made of a non-consumable conductive material such as tungsten.

【0017】トリガー電極回転装置5には回転軸部3a
に給電するための摺動接点機構(図示省略)が設けられ
ており、トリガー電極3の回転軸部3aには、該電極3
の先端が各カソード蒸発面に接触した時にアーク電源18
から電流制限用抵抗6を介してトリガー放電用の電流を
流すための給電回路(給電ケーブル)が、前記摺動接点
機構を介して接続されている。前記1個のトリガー電極
3、トリガー電極回転装置5、電流制限用抵抗6、及び
真空アーク放電用電源を兼ねるアーク電源18は、定めら
れた順に従って順次各カソード16A〜16Dにトリガー放
電を起こすための真空アーク点弧機構を構成している。
The trigger electrode rotating device 5 includes a rotating shaft 3a.
A sliding contact mechanism (not shown) for supplying power to the trigger electrode 3 is provided on the rotating shaft 3 a of the trigger electrode 3.
Power supply 18 when the tip of
A power supply circuit (power supply cable) through which a current for trigger discharge flows through the current limiting resistor 6 is connected via the sliding contact mechanism. The one trigger electrode 3, the trigger electrode rotating device 5, the current limiting resistor 6, and the arc power source 18 also serving as a power source for vacuum arc discharge cause a trigger discharge in each of the cathodes 16 </ b> A to 16 </ b> D in a predetermined order. Of the vacuum arc firing mechanism.

【0018】7Aは、カソード16Aの外周に該カソード
16Aと0.5mm程度の間隙をあけて同軸心状となるよ
うに配設された円筒状をなす公知のシールドである。シ
ールド7aは、真空アーク放電時にカソード蒸発面16A1
内にアークスポットを閉じ込めるためのものであって、
例えば鉄のような磁性材料よりなり、絶縁部材8Aによ
って電気的に浮かせた状態で設けられている。同様にし
て他のカソード16B,16C,16Dについても、それぞれ
シールド7B,7C,7Dが設けられている。他の構成
は前述した従来装置と同様である。
7A is the cathode on the outer periphery of the cathode 16A.
This is a known shield having a cylindrical shape and arranged so as to be coaxial with a gap of about 0.5 mm from 16A. The shield 7a serves as a cathode evaporation surface 16A 1 during vacuum arc discharge.
To confine the arc spot inside
For example, it is made of a magnetic material such as iron, and is provided in a state of being electrically floated by an insulating member 8A. Similarly, shields 7B, 7C, and 7D are provided for the other cathodes 16B, 16C, and 16D, respectively. Other configurations are the same as those of the above-described conventional device.

【0019】このように構成されるイオンビーム発生装
置の動作を、前記図1及び図2に加えて、4個のカソー
ド16A〜16Dによる真空アーク放電の発生例を示すタイ
ムチャートの図3をも参照しながら説明する。
The operation of the ion beam generator configured as described above is described in addition to FIGS. 1 and 2 by referring to FIG. 3 of a time chart showing an example of vacuum arc discharge generated by four cathodes 16A to 16D. It will be described with reference to FIG.

【0020】トリガー電極回転装置5によって回転され
て、まず、トリガー電極3の先端(回転アーム部3bの
先端)が第1番目のカソード16Aの蒸発面16A1に接触す
ると、この極めて短い接触期間中、トリガー電極3とカ
ソード蒸発面16A1間に、電流制限用抵抗6によってその
電流値が制限されたアーク電源18からの短絡電流が流れ
る。次いで、トリガー電極3の先端がさらに回転移動し
てカソード蒸発面16A1から引き離された時、トリガー電
極3先端とカソード蒸発面16A1間に、アーク電源18から
の給電回路のインダクタンス成分の作用によって高電圧
が生じて極めて短時間トリガー放電が起こる。そして、
このトリガー放電に引き金にしてこれに引き続いて、カ
ソード蒸発面16A1とアノード19との間に、アーク電源18
によって設定されたアーク放電継続時間tがこの例では
t=1msという短いパルス的な真空アーク放電が発生
し、これによりカソード蒸発面16A1からカソード物質を
蒸発させイオン化し、該カソード物質イオンを含むプラ
ズマが生成する。なお、アーク電源18には電流検知セン
サが内蔵されており、該センサでトリガー放電用電流が
流れたことを検知してから1msの間、真空アーク放電
が継続するようになっている。
When the tip of the trigger electrode 3 (the tip of the rotating arm 3b) comes into contact with the evaporation surface 16A1 of the first cathode 16A during the extremely short contact period, the trigger electrode is rotated by the trigger electrode rotating device 5. , between the trigger electrode 3 and the cathode evaporation surface 16A 1, short-circuit current flows from the arc power supply 18 to the current value is limited by the current limiting resistor 6. Then, when pulled away from the cathode evaporation surface 16A 1 is rotated moving the tip of the trigger electrode 3 is further between the trigger electrode 3 tip and the cathode evaporation surface 16A 1, by the action of the inductance component of the power supply circuit from the arc power supply 18 Trigger discharge occurs for a very short time due to high voltage. And
In the trigger to the trigger discharge subsequent thereto, between the cathode evaporation surface 16A 1 and the anode 19, arc power supply 18
Set arc discharge duration time t is short pulsed vacuum arc discharge that t = 1 ms in this example is generated, thereby ionize evaporated cathode material from the cathode evaporation surface 16A 1 by including the cathode material ion Plasma is generated. The arc power supply 18 has a built-in current detection sensor, and the vacuum arc discharge is continued for 1 ms after the sensor detects that the trigger discharge current has flowed.

【0021】このような動作が、トリガー電極回転装置
5によるトリガー電極3の回転にともなってこの例では
4個のカソード16A〜16Dについて、図3に示すよう
に、第1番目カソード16A、第2番目カソード16B、第
3番目カソード16C、第4番目カソード16Dの順で繰り
返されて、4個のカソード16A〜16Dのカソード物質を
含むプラズマが生成される。例えば、トリガー電極3を
回転数360rpmで回転させ、各カソード16A〜16D
について、それぞれ、6パルス/s(6回/s)の放電
頻度で繰り返して真空アーク放電が行われる。
Such an operation is accompanied by the rotation of the trigger electrode 3 by the trigger electrode rotating device 5, and in this example, the first cathode 16A, the second cathode 16A, and the second cathode 16D, as shown in FIG. The plasma including the cathode materials of the four cathodes 16A to 16D is generated by repeating the third cathode 16B, the third cathode 16C, and the fourth cathode 16D in this order. For example, the trigger electrode 3 is rotated at a rotation speed of 360 rpm, and each of the cathodes 16A to 16D
, Vacuum arc discharge is repeatedly performed at a discharge frequency of 6 pulses / s (6 times / s).

【0022】生成された各カソード16A〜16Dのカソー
ド物質イオンと電子を含むプラズマはプラズマ室20へ導
かれる。そして、プラズマ室20内の前記プラズマにはグ
リッド23,25間に生じる電界が作用し、該プラズマから
カソード13A〜13Dのカソード物質イオンだけが取り出
され、これらのカソード物質イオンからなるイオンビー
ムが、この例ではダイナミックミキシング処理を行う表
面改質処理用真空容器VC内に引き出される。
The generated plasma containing the cathode material ions and electrons of each of the cathodes 16A to 16D is led to the plasma chamber 20. Then, an electric field generated between the grids 23 and 25 acts on the plasma in the plasma chamber 20, and only the cathode material ions of the cathodes 13A to 13D are extracted from the plasma, and an ion beam composed of these cathode material ions is formed. In this example, it is drawn into the surface modification treatment vacuum vessel VC for performing the dynamic mixing treatment.

【0023】ここで、カソード16A〜16Dを構成する材
料の具体例としては、例えば、4個全てがTi、また4個
全てがC(カーボン)からなる場合が挙げられる。さら
に、チタン製カソードとカーボン製カソードとが2個ず
つからなる場合が挙げられ、この場合、Tiイオン(T
i+ )とCイオン(C+ )とからなるイオンビームが取
り出される。なお、トリガー電極回転装置5によってト
リガー電極3の回転速度を調整することで、各カソード
16A〜16Dの真空アーク放電のデューティサイクル(du
ty cycle)を任意に調整でき、得られるイオンビームの
電流量を制御することができる。
Here, specific examples of the material constituting the cathodes 16A to 16D include a case where all four are made of Ti and all four are made of C (carbon). Further, there may be a case where two titanium cathodes and two carbon cathodes are used. In this case, a Ti ion (T
An ion beam composed of i + ) and C ions (C + ) is extracted. In addition, by adjusting the rotation speed of the trigger electrode 3 by the trigger electrode rotation device 5, each cathode
Duty cycle of 16A ~ 16D vacuum arc discharge (du
ty cycle) can be arbitrarily adjusted, and the current amount of the obtained ion beam can be controlled.

【0024】このように、本例のイオンビーム発生装置
では、従来装置とは違って1個のトリガー電極3を有
し、このトリガー電極3を回転させることにより、定め
られた順に従って順次4個のカソード蒸発面16A1〜16D1
への該トリガー電極3の接触・引離しを行ってトリガー
放電を起こすようにした真空アーク点弧機構を設けたも
のであるから、頻繁に繰り返し点弧させるパルス的な真
空アーク放電を長時間運転においても確実に発生させる
ことができ、また、1個のトリガー電極3を該トリガー
電極先端が各カソード蒸発面を順に結ぶ円を描くように
回転させることでこれらのカソード16A〜16Dに対する
トリガー放電を行え、従来装置とは違って、各カソード
16A〜16Dごとにトリガー電極及びトリガー電源を設け
る必要がない。
As described above, the ion beam generator of this embodiment has one trigger electrode 3 unlike the conventional device, and by rotating this trigger electrode 3, four trigger electrodes 3 are sequentially arranged in a predetermined order. the cathode evaporation surface 16A 1 ~16D 1 of
Since a vacuum arc ignition mechanism is provided to cause a trigger discharge by contacting / separating the trigger electrode 3 from / to the trigger electrode 3, a pulse-like vacuum arc discharge for frequent and repeated ignition is operated for a long time. The trigger discharge to these cathodes 16A to 16D can be performed by rotating one trigger electrode 3 so that the tip of the trigger electrode 3 draws a circle connecting the cathode evaporation surfaces in order. Yes, unlike conventional equipment, each cathode
There is no need to provide a trigger electrode and a trigger power supply for each of 16A to 16D.

【0025】[0025]

【発明の効果】以上述べたように、この発明によるイオ
ンビーム発生装置では、アノードと複数のカソードとを
有し、これら複数のカソードにその定められた順に、該
カソードへのトリガー放電を引き金にして前記アノード
との間に点弧されるパルス的な真空アーク放電を発生さ
せて、前記各カソードのカソード物質イオンからなるイ
オンビームを取り出すイオンビーム発生装置において、
トリガー電極をカソード蒸発面に機械的に接触・離脱さ
せる真空アーク点弧機構を設けたものであるから、頻繁
に繰り返し点弧させるパルス的な真空アーク放電を長時
間運転においても確実に発生させることができ、また、
簡単な構造により一個のトリガー電極で複数のカソード
に対するトリガー放電を行え、従来装置とは違って、各
カソードごとにトリガー電極及びトリガー電源を設ける
必要がない。すなわち、この発明によれば、信頼性が高
く、製作コストの低減も実現できるイオンビーム発生装
置を提供することができる。
As described above, the ion beam generator according to the present invention has an anode and a plurality of cathodes, and the plurality of cathodes are triggered by a trigger discharge to the cathodes in a predetermined order. A pulsed vacuum arc discharge that is ignited between the anode and the anode to generate an ion beam composed of cathode material ions of each of the cathodes.
A vacuum arc firing mechanism that mechanically contacts and separates the trigger electrode from the cathode evaporation surface is provided, so that pulsed vacuum arc discharge that fires frequently and repeatedly can be reliably generated even during long-time operation. Can also be
With a simple structure, a single trigger electrode can trigger a plurality of cathodes, and unlike a conventional device, there is no need to provide a trigger electrode and a trigger power supply for each cathode. That is, according to the present invention, it is possible to provide an ion beam generator which has high reliability and can realize a reduction in manufacturing cost.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】この発明によるイオンビーム発生装置の構成を
示す構成説明図である。
FIG. 1 is a configuration explanatory view showing a configuration of an ion beam generator according to the present invention.

【図2】図1のA−A線断面図である。FIG. 2 is a sectional view taken along line AA of FIG.

【図3】4個のカソード16A〜16Dによる真空アーク放
電の発生例を示すタイムチャートである。
FIG. 3 is a time chart showing an example of occurrence of vacuum arc discharge by four cathodes 16A to 16D.

【図4】従来のイオンビーム発生装置の構成を示す構成
説明図である。
FIG. 4 is a configuration explanatory view showing a configuration of a conventional ion beam generator.

【図5】図4のA−A線断面図である。FIG. 5 is a sectional view taken along line AA of FIG. 4;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…真空容器 2…カソードホルダ 3…トリガー電極
3a…回転軸部 3b…回転アーム部 4…絶縁円筒 5…トリガー電極
回転装置 6…電流制限用抵抗 7A,7B,7C,7
D…シールド 8A,8B,8C,8D…絶縁部材 16
A,16B,16C,16D…カソード 16A1,16B1,16C1
16D1…カソード蒸発面 18…アーク電源 19…アノード
20…プラズマ室 21…加速電源 22…サプレッサ電源
23…加速グリッド 24…サプレッサグリッド 25…グ
ランドグリッド VC…表面改質処理用真空容器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Vacuum container 2 ... Cathode holder 3 ... Trigger electrode 3a ... Rotating shaft part 3b ... Rotating arm part 4 ... Insulating cylinder 5 ... Trigger electrode rotating device 6 ... Current limiting resistance 7A, 7B, 7C, 7
D: Shield 8A, 8B, 8C, 8D: Insulating member 16
A, 16B, 16C, 16D ... cathode 16A 1, 16B 1, 16C 1 ,
16D 1 … Cathode evaporation surface 18… Arc power supply 19… Anode
20 ... plasma chamber 21 ... acceleration power supply 22 ... suppressor power supply
23 ... Acceleration grid 24 ... Suppressor grid 25 ... Grand grid VC ... Vacuum container for surface modification

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 アノードと複数のカソードとを有し、前
記複数のカソードにその定められた順に、該カソードへ
のトリガー放電を引き金にして前記アノードとの間に点
弧されるパルス的な真空アーク放電を発生させ、カソー
ド蒸発面からカソード物質を蒸発させイオン化し、前記
各カソードのカソード物質イオンからなるイオンビーム
を取り出すイオンビーム発生装置において、 単一のトリガー電極を回転させることにより、前記複数
のカソードにその定められた順に該トリガー電極を接触
・離脱させてトリガー放電を起こすようにした真空アー
ク点弧機構を備えていることを特徴とするイオンビーム
発生装置。
1. A pulsed vacuum having an anode and a plurality of cathodes, wherein said plurality of cathodes are fired between said plurality of cathodes in a predetermined order by being triggered by a trigger discharge to said cathodes. In an ion beam generator for generating an arc discharge, evaporating and ionizing a cathode material from a cathode evaporation surface, and extracting an ion beam composed of cathode material ions of each of the cathodes, by rotating a single trigger electrode, An ion beam generator comprising a vacuum arc firing mechanism for causing a trigger discharge by bringing the trigger electrode into and out of contact with the cathode in a predetermined order.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100417112B1 (en) * 2001-08-21 2004-02-05 (주) 브이에스아이 A Pulse Type Metal Plasma Ion Source Generating Device
CN103915305A (en) * 2014-04-18 2014-07-09 中国工程物理研究院流体物理研究所 Resistance trigger type vacuum arc ion source device
CN106995915A (en) * 2017-05-11 2017-08-01 成都西沃克真空科技有限公司 Equipment is steamed in a kind of rotary multi-level resistance

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100417112B1 (en) * 2001-08-21 2004-02-05 (주) 브이에스아이 A Pulse Type Metal Plasma Ion Source Generating Device
CN103915305A (en) * 2014-04-18 2014-07-09 中国工程物理研究院流体物理研究所 Resistance trigger type vacuum arc ion source device
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