JPS5918840B2 - イオン源 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はイオン源に関する。

イオン源は重い粒子の加速器、同位体の分離装置、熱核
反応炉、表面処理装置、ある種の化学装置などのような
数多くの用途に必要なものである。

従来知られているいわゆる中空陰極と呼ばれているイオ
ン源では、高イオン密度のプラズマが発生される。

しかし、イオン源としてのそれらの使用には、イオンが
発生された場所すなわち中空陰極から、イオンを使用す
る場所へ向けられるイオンビームを発生するように、イ
オンを取り出す問題が含まれる。

本発明は、中空陰極放電装置と、要求された点で使用で
きるイオン源を形成するように中空陰極放電装置からイ
オンビームを取り出すための装置とで構成される装置を
提供するものである。

以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は中空陰極を有する放電装置１０を示す。

この中空陰極は公知のものであって、冷陰極として動作
する平行な２枚の導電板１，２と、これらの陰極に対し
て正の直流電位Ｖを電源４から与えられる陽極とで構成
される。

アルゴンのような不活性のイオン化できるガスが、たと
えば水銀柱０．１〜５龍の圧力下の陰極１，２と陽極３
の周囲を循環している。

陽極３に電圧Ｖが与えられると、放電が起きてガスがイ
オン化される。

陰極板１と２の間隔が数朋というように十分に狭いと、
陽極３まで延びる鮮やかなグローが陰極板の間で観察さ
れる。

このグローは上記放電によって発生された板状プラズマ
から発生される。

点で描いて示されているこのプラズマは、厚さがｌｉｉ
台のシースと通常呼ばれているものによって、陰極１，
２から分離される。

実際にプラズマはこの輝く板状に集中させられる。

陰極に対して正電位に保たれている陽極はこのプラズマ
からいくらかの電子をうばうから、このプラズマも陰極
に対して正電位となる。

このプラズマイオンはシースを通って陰極に向って力目
速される。

水銀柱０．１ ｍｍ以下の圧力では、放電を維持するた
めに陰極から電子を取り出すのはイオン衝撃であること
が実験により判明している。

一方、この装置ではイオン電流密度は非常に高く、通常
の場合は２０ ｍＡ／ｃｒｉ’ｔに達する。

最後に、表面積の広い陰極板１，２により高電流を得る
ことができる。

このような中空陰極装置については、１９５６年ドイツ
のスプリンガー出版社（ＳｐｒｉｎｇｅｒＶｅｒｌａｇ
）発行の［物理学ハンドブックＨａｎｄｂｕｃｈｄｅｒ
Ｐｈｙｓ ｉｋ） Ｊ第２２巻９１ページ以降に所載
の「低圧グ爾−放電」という項において詳しく述べられ
ている。

本発明は上記のような特性を有するイオン源を形成する
ために、第２図を参照して以下に説明する条件の下に、
中空陰極放電装置の陰極へ向かうこのようなイオン流を
利用するものである。

第２図は本発明のイオン源の一実施例で、陰極１と、陽
極３と、電源４と、第２陰極２０を有する。

プラズマ中のイオンのいくつかを装置１０の外側へ向け
るためにイオンを通す穴３０が第２陰極２０に設けられ
る。

それらのイオンは中空陰極１に通常衝突するエネルギー
を持ってプラズマから出る。

発明者の実験によればこのエネルギーは８００〜１５０
０ｅＶに達する。

ある用途には、使用場所即ち使用点４０の前方に位置す
るほぼ等電位の空間内中をイオンビームが初速で走行す
れば、そのエネルギーで十分である。

使用点でより高いエネルギーを要する場合には、それら
のイオンは点４０へ向けてイオン源により加速される。

しかし、このようにして陰極２０を通ったイオンは、陰
極の先に高い正の空間電荷を形成する。

この空間電荷は、発生されるプラズマのイオン密度が高
いため、特に高い。

この空間電荷の影響で、イオンが、シースの厚み即ち陰
極からプラズマまでの距離だけ進行した後、陰極に向け
て戻るのを防ぐため、電源５により加熱されて、電源６
により陰極の電位に対して僅かに負に保たれるフィラメ
ント７がイオンビーム径路中に設けられる。

このような条件の下にフィラメント７から放出される低
速電子は前記空間電荷を中和し、イオンがはるかに長い
距離走行して、使用点４０１ご達するのを可能にする。

しかしこれらの低速電子が第２陰極２０に設けられてい
る穴３０を通って過剰な数だけ中空陰極の方へ入ること
を阻止するために、かつ陰極１と２０の間に形成されて
いるプラズマの中に入ることを防ぐために、電源９によ
り陰極２０に対して僅かに正電位に保たれるグリッド８
が、陰極２０とフィラメント７の間で陰極２０に近い位
置に設けられる。

フィラメント７から放出された電子のうち、グリッド８
の吸引力から逃れて穴３０を通って中空陰極装置１０の
中に入った電子は、穴３０を設けたために陰極２０の表
面積が減少したことにより生ずる放出電子の量の低下を
補償するという有用な機能を行う。

中空陰極装置１０の中に入る電子の量は特にフィラメン
トＩの温度により制御できる。

本発明の装置においては、放電を自ら持続できることが
できるようにするためには、イオンの取り出し量をプラ
ズマ中に存在するイオンの総量のある割合に制限しなけ
ればならない。

この目的のために穴をあけた陰極２０を用いる。

この陰極２０の透過性、すなわち、穴３０の全表面積と
陰極２０の全表面積との比は５０％を大きくこえること
はない。

このような条件の下では装置１０の中で発生されたイオ
ンの２５％だけが取り出されるにすぎず、それにより放
電を持続でき、それと同時に、後段加速は別にしても、
取り出されたイオンビームの運動エネルギーと装置１０
に供給された全電気エネルギーとの比として測定したエ
ネルギー効率を約２５％にすることができる。

この効率は従来のイオン源の効率よりも高い。

グリッド８の網目寸法と、穴あき陰極２０の穴の寸法と
、グリッド８と陰極２０との距離は、シースの厚みと同
程度である。

このシースの厚みは通常は１ｍｍである。

制御電圧が１５００Ｖの場合には、陰極２０に対するグ
リッド８の電位と、陰極２０に対するフィラメント７の
電位とは、一例をあげればそれぞれ＋２０Ｖと一１５Ｖ
に選択される。

表面積がＳＯ＝で間隔が４關の２枚の長方形板より成る
平らな陰極を用い、水銀柱０．１ ｍｍのアルゴン圧力
、および上記のような電圧条件の下で、イオン源１０と
５ＭｅＶ イオン加速器との間の等電位空間中に８０ｃ
ｒｒＬ以上の距離にわたって５００ｍＡのイオン電流を
生じさせることができた。

ビームを集中させるための装置と、水銀柱０．１ ｍｍ
の先行圧力とイオン加速器中のはるかに低い圧力との間
の必要な圧力傾度を確立するための装置は、上記距離に
わたって分布させる。

第２図はまたイオン源によって供給されたイオンがグリ
ッド８と使用点４０との間等電位空間内に走行させられ
る場合が実線で示し、イオンビームが電源４２により使
用点４０まで加速される場合を破線（第２図の上部）で
示す。

第３図は、第２図のイオン源を用いたイオン加速器の一
例を示すものである。

この例では第２図の使用点４０に、イオン加速器１００
が設けられている。

このイオン加速器１００のグリッドは直流電圧源９０に
接続され、放電装置１０からのイオンビーム（図示しな
い）に、陰極２０からグリッド５０までの空間中で、第
１のカロ速を与える。

中央部に貫通孔のある電極７０は、グリッド５０と結合
している。

イオンビームはグリッド５０を通って加速器１００に入
り、加速器の電極６０および共振器１１０の方に走行す
る。

この領域でビーム（ハツチングで示す）は、電圧源８０
から供給される直流電圧によって、後段加速を受ける。

真空手段は第３図には示されていない。

なお、本発明は上述の実施例に限定されるわけでなく種
々変形できるのはもちろんである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に使用する中空陰極装置を示す概略線図
、第２図は本発明の実施例を示す説明図、第３図は第２
図のイオン源を用いたイオン加速器を示す図である。 １．２・・・・・・陰極板、３・・・・・・陽極、８・
・・・・・グリッド、２０・・・・・・穴あき陰極、３
０・・・・・・穴、４０・・・・・・イオン使用点。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 中空陰極放電装置が、イオン化できるガス中で、互
   いに向い合う２つの陰極と、陽極と、゛この陽極を前記
   陰極に対して正の直流制御電位（■にする装置とで構成
   され、この制御電位（■の作用で前記ガスがイオン化さ
   れて板状プラズマが形成され、このプラズマは陰極から
   所定の距離だけ隔たった場所から陽極まで延び、前記陰
   極の一方には穴が設けられ、この穴を通ってプラズマの
   イオンのいくらかが外部へ出、これらのイオンが使用点
   まで走行する径路中に前記穴をあけられた陰極に対して
   負電位にされる高温フィラメントが設けられ、このフィ
   ラメントは前記陰極へ向けて電子を放出し、前記穴あき
   陰極に対して正の直流電位にされるグリッドが前記フィ
   ラメントと前記穴あき陰極の間に設けられ、前記グリッ
   ドは前記陰極から前記プラズマと前記陰極との間の距離
   程度だけ離れている位置に設けられることを特徴とする
   イオン源。 ２、特許請求の範囲の第１項に記載のイオン源において
   、前記穴あき陰極は５０％をあまり大きくこえない透過
   度を有するイオン源。 ３ 特許請求の範囲第１項に記載のイオン源において、
   制御電位（ト）が１５００Ｖの場合には前記負電位は一
   １５■、前記正電位は＋２０Ｖであるイオン源。