JPS594819B2 - イオン源 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、従来非常に困難であったイオンビーム、と
くに高輝度大電流イオンビームを安定に得ることを目的
としたイオン源に関する。

一般に、気中放電による電子の衝突電離を利用するイオ
ン源において、イオン軌道の良否を表わす規格化エミツ
タンスＥ、規格化輝度Ｂおよびイオンビーム電流Ｉの相
互の関係は次のようになる。

ここにＣは比例定数、ｅは電子の電荷、Ｎはプラズマ密
度、Ｔｅ、Ｔｉはそれぞれ電子温度、イオン温度を示す
。

したがって、Ｃ１に比例定数ｔｍ２Ｍｋそれぞれ電子お
よびイオンの質量とし、電子温度Ｔｅ。

イオン温度Ｔｉ０間に、 し、プラズマ密度Ｎはイオン源の形式が定まればそれぞ
れのイオン源でほぼ一定であるとすると、規格化輝度Ｂ
および規格化エミツタンスＥは次のようになる。

これらの式で表わされる輝度ＢおよびエミツタンスＥの
電流依存性は、高周波放電形、ＰＩＧ形。

電子衝撃形イオン源およびデュオプラズマトロンなどで
実験的に確かめられている。

したがって、これらのイオン源では、高輝度大電流イオ
ンビームを得ることは困難である。

しかし、もしプラズマ密度Ｎｅ増加させることができれ
ば、プラズマ密度Ｎと電流Ｉは比例するから逆にＢｃｃ
■となり、電流Ｉに比例して輝度Ｂが高くなる。

実際問題として、他の因子により電流■に比類して輝度
Ｂが高くならないとしても、少くとも輝度を低下させる
ことなく大電流を流すことが可能である。

ところで、従来のイオン源として、電子ビームの進行方
向と逆方向にイオンｅ７７Ｄ速、集束してイオンビーム
を形成するいわゆるビームプラズマ形イオン源が考えら
れているが、このイオン源は。

単一電子ビームの入射ならびにそれにもとずく単一イオ
ンビームの引き出しであるため、引き出しイオンビーム
のもつ空間電荷ならびにイオンを引き出すプラズマ境界
面の不安定から、引き出しイオンビームの大電流化が制
限される。

この発明は、以上のような点に留意し、高輝度大電流の
イオンビームを安定に得ようとするものであり、つぎに
この発明をその実施例を示した図面とともに詳細に説明
する。

第１図において、この発明のイオン源は、複数個の電子
ビームを形成させると同時に、複数個のイオンの引き出
し集束を行なう第１の領域１と、第１の領域１から突入
する電子ビームによってガス電離を行ない、プラズマと
電子ビームの相互作用によって発生するマイクロ波エネ
ルギにより高密度のイオンを生成する第２の領域２払用
済みの電子ビームを集めるとともに第２の領域２におけ
るマイクロ波発振発生の条件を満足させろだめの機能を
兼ね備える第３の領域３とからなる。

そして第１の領域１において、複数個の中空金属円筒陰
極４を、各円筒陰極４間の間隙にそれぞれ巻いたフィラ
メント５によって加熱するか、またはフィラメント５か
ら放出される電子の電子衝撃によって加熱し、円筒陰極
４の上端より電子が放出されるに十分な温度に加熱する
。

円筒陰極４゜ウェーネルト電極６．多孔円板陽極７から
なる集束レンズ系で形成される電界によって、円筒陰極
４の上部より引き出された電子は、複数個の電子ビーム
８となって第２の領域２に入る。

第２の領域２においては、細長いチューブ状のドリフト
チューブと称せられる金属円筒９で囲まれたドリフト空
間１０が形成され、下端は多孔円陽極７で第１の領域１
と区別され、上端は第３の領域３に連通される。

ドリフトチューブ９は真空外囲器も兼ね、絶縁円筒１Ｌ
１２，１３により他の電極と絶縁される。

なお、ドリフトチューブ９は必ずしも真空外囲器を兼ね
る必要はなく、ドリフトチューブ９の外側に絶縁材料あ
るいは金属材料による真空外囲器全別途に設けてもよい
。

また、ドリフトチューブ９の外側に、マグネット１４を
装着し、ドリフト空間１０に軸方向の磁界を形成し、第
２の領域２に入射して来る電子ビーム８を集束するとと
もに、プラズマにサイクロトロン周波数の振動を与え、
ビーム・プラズマ相互作用により第２の領域２に高周波
電界またはマイクロ波電界ケ有効に生じさせる。

ドリフトチューブ９の上端部と絶縁円筒１３およびそれ
によって電気的に絶縁されたコレクタ電極１５によって
第３の領域３が形成される。

この領域の一部に設けたガス導入孔１６よりイオン化す
べきガス状物質を導入する。

場合によっては、第３の領域３に小形の金属蒸気発生炉
をおいて金属蒸気を第３の領域３およびドリフトチュー
ブ９内に充満させ、イオン化することもできる。

ガス導入孔１６より導入されたガス状物質または第３の
領域３に挿入された金属蒸気発生炉より発生した金属蒸
気は、ドリフトチューブ９内に供給されろ。

ドリフトチューブ９は、一般にはステンレススチール、
銅などの導電性物質からなり、かつ細いパイプ状をして
おり、排気抵抗が高いため第３の領域３から供給された
ガス状中性分子が高真空領域である第１の領域１へ流出
するのを抑制すると同時に、ドリフト空間１０に電離に
必要な中性ガス圧を保つ。

第２の領域２の主体をなすドリフトチューブ９は、一種
の円筒導波管として作用し、導波管内のプラズマの分散
式から得られるプラズマ波のモードと電子ビームの結合
によってビーム・プラズマ相互作用が生ずる。

ドリフト空間１０内のガス圧がある臨界値を超え、第１
の領域１から入射してくる電子ビーム８のビーム電流値
、加速エネルギ等、あるいはドリフトチューブ９の形状
、ドリフトチューブ９内の磁界の強さ等の条件が整うと
、ビーム・プラズマ相互作用によるビーム・プラズマ電
離が生じ、非常に高密度のプラズマが効率よく生成され
る。

また、コレクタ電極１５をドリフトチューブ９より１０
０〜数１００ｖ低い電位にし、第２の領域２を通過した
電子ビーム８がコレクタ電極１５に射突した際に発生す
る２次電子を有効にドリフト空間１０に導聯するか、第
３の領域３内に設けた第２の電子放出源から第２の領域
２であるドリフト空間１０に電子を導入してイオン化を
促進し、ドリフト空間１０のイオン密度を高くしてビー
ム・プラズマ相互作用によるマイクロ波発振発生に必要
な臨界値以上にすることができる。

ビーム・プラズマ電離によって第２の領域２であるドリ
フト空間１０に生じた高密度イオンは、第１の領域１か
ら入射してくる電子ビーム８の負の空間電荷によって正
の空間電荷が中和され、効率よく電子ビーム８と逆方向
に引き出される。

すなわち第１の領域１の金属円筒陰極４．ウェーネルト
電極６．多孔円板陽極７からなる集束レンズ系で形成さ
れる電界は、第２の領域２に発生したイオンに対しては
イオン引き出し電界となり、第１および第２の領域１，
２の境界面をなす多孔円板陽極７がイオン引き出し電極
となって、多孔７′からイオンが第１の領域１に引き出
され、電子ビームによる空間電荷中和作用の助けをかり
て集束性のよいイオンビーム１７を形成し、中空金属円
筒陰極４の中心軸上全貫通して射出される。

多孔円板陽極７の孔７′、それに対応するウェーネルト
電極６．金属円筒陰極４の形状をそれぞれ調整すれば、
独立した多数のイオンビーム１７を得るほか、１本のビ
ームに合成して大電力イオンビームにすることもできる
。

多孔円板陽極７面全凸面または凹面とし、それに対応す
るウェーネルト電極６、金属円筒陰極４の配置を適当に
すれば、合成されるイオンビーム１７の形状を任意に制
御することができる。

第１図では陰極４として、電子放射能を有する金属材料
、たとえばタングステンやタンタルで作った中空円筒金
属を用いた、いわゆる傍熱形陰極形式のものを図示した
が、電子放射能を有する金属線ケ円筒状螺線とし、直接
加熱電流を流して電子放出を行なうと同時に円筒状標線
の中心軸上にイオンを貫通させる。

いわゆる直熱形陰極形式のものを用いてもよい。

その場合、円筒状螺線套極の加熱に直流電力を用いれば
、それの作る磁界が電子およびイオンの集束に寄与する
という利点がある。

第２図は第１の領域１を変形した場合の１例を示す。

すなわち第１図では多孔円板陽極７によって第１の領域
１と第２の領域２を区別する遮蔽板の役目を兼ねえたが
、第２図の形式はこれを分離し、ドリフトチューブ９の
下端に多孔遮蔽電極２１を設けて第１の領域１と第２の
領域２の境界を明確にし、その下に多孔円板陽極２２、
多孔円板陰極２３を設け、それぞれの電極の孔２２’、
２３’の軸を合わせて多孔円板陰極２３の穴２３′周辺
部より電子を放出し、ビーム状に集束して複数個の電子
ビーム２４を形成し、第２の領域２に入射させるととも
に、第２の領域２からイオンを引き出し複数個のイオン
ビーム２５を得る方式を示す。

同図では複雑さを避けるために、多孔円板陽極２２と多
孔円板陰極２３の中間に挿入すべき多孔ウェーネルト電
極板を省略したが、多孔円板陰極２３の穴２３′周辺部
より効率よく電子ビーム２４を放出集束させるためには
、多孔円板陽極２２、多孔円板陰極２３０間に１枚また
は複数個の集束レンズ形成用電極板を挿入すればよい。

また、図では菱形の形状をした網状フィラメント２６を
用いて多孔円板陰極２３を電子衝撃により加熱する方式
を示したが、多孔円板陰極２３の加熱方式、形状は自由
に変えることができる。

第３図は第１図に示した金属円筒陰極４や第２図に示し
た多孔円板陰極２３のかわりに、直熱形の陰極円筒を用
いた場合の１例を示す。

車輪形の断面を有する２個の同軸円筒陰極３１゜３２が
中央の円筒３３を共通軸として接続され、加熱電力供給
端子３４から円筒陰極３１５円筒３３、円筒陰極３２ケ
介して加熱電力供給端子３５に向かって直流または交流
電力が供給され高温に保持される。

陰極３１の上端から電子を放出させ、車輪形の各断面ご
とに電子ビームを集束するように集束電極系を上部に付
加し、断面の数に等しい電子ビーム３６を作る（図では
簡単のため電子ビームは１本しか示してない）。

同時に各電子ビーム３６の中を通って逆方向にイオンビ
ーム３７を集束しながら引き出す。

以上の説明では、多孔円板陽極を用いる方式であるため
、電子ビームのドリフト空間への入射エネルギおよびイ
オンの引き出しエネルギは、多孔円板に印加された電圧
で定まり、複数本の電子ビームおよびイオンビームは、
いずれも同一のエネルギーを持つが、多孔円板を分割ま
たは多孔ごとに独立させ、電圧を変化させれば、それぞ
れのビームエネルギが調整でき、イオンビーム間、電子
ビーム間の相互作用を起こさせることができる。

この発明の基本原理的特徴の第１は、第２の領域２に入
射する電子ビーム８によってその領域２に存在するガス
分子または原子を衝突電離してイオンを得るばかりでな
く、第２の領域２に生じたプラスマと入射してきた電子
ビーム８との相互作用による不安定性を利用して高周波
振動（一般には２〜２０ＧＨｚのマイクロ振動）を起こ
させ、その交流電力が高周波あるいはマイクロ波共鳴吸
収過程を経てプラズマに吸収されることにより、高密度
プラズマを生成することにある。

すなわち、マイクロ波の電界によってプラズマ中の電子
７５切ロ熱され、中性分子を電離するに十分なエネルギ
ーを得て中性分子に衝突し、電離するビームプラズマ電
離と呼ばれる電離機構により、プラズマ生成が行なわれ
る。

換言すれば外部にマイクロ波電源を持たない自己発振形
マイクロ波加熱方式のイオン源ということもできる。

第２の領域２に生するビーム・プラズマ相互作用を、小
振幅理論を用いて計算した分散図の１例を第４図に示す
。

横軸に角周波数ωを、縦軸に波数ｋをとる。

よく知られているように、電子・ビームの縦方向に、何
らかの原因で生じた擾乱により空間電荷に起因した電界
が生じると、この電界による複水力によって空間電荷波
が生じる。

また電子ビームの横方向に、軸上磁束密度と横方向速度
により生じるローレンツ力が復元力として作用し、サイ
クロトロン波が生ずる。

このサイクロトロン波には速サイクロトロン波および遅
サイクロトロン波の２種の電子波モードが現われる。

したがって第２の領域２内のビーム・プラズマ系に存在
する波は空間電荷波、遅すイクロトロン波、速すイクロ
トロン波、およびプラズマ波等であるが、これらの波が
相互に作用する領域は、第４図に示すＡ、Ｂ、Ｃ，Ｄ、
Ｅの５つの領域である。

これらのうち、Ａ、Ｃ，Ｄは対流的不安定領域を示し、
Ｂ、Ｅは絶対不安定領域４示す。

前者は空間的に増大する波を表わし、後者は特に時間的
に増大する波を表わす。

これらの波についてそれぞれ伝播定数の虚部の値や周波
数の虚部の値を求めることによって不安定性の程度、す
なわちマイクロ波発振発生の難易を知ることができろ。

解析Ω結果、領域Ｂの相互作用が最も起き易いことがわ
かり、第２の領域２内に発生したマイクロ波の周波数を
測定することにより実験的にも確認された。

不安定性を示す量、すなわち、周波数の虚部（以下ωｉ
と略す）のプラズマ密度（以下Ｎと略す）に対する変化
によって、ビーム・プラズマ電離によるイオン化増埴作
用を定性的に説明したものが第５図であり、横軸にＮ、
縦軸にωｉをとつている。

衝突効果を無視した０１曲線は、プラズマ密度の最大値
Ｎ において極大値ω 、 をｍａＸ
Ｊｍ 持つ。

一方、マイクロ波発生現象を抑える作用をもつ中性ガス
との衝突、クーロン衝突、高周波電界による効果等をす
べて衝突環として考えると、これらの全衝突環を考慮し
た場合は、プラズマ生成Ｎが増大するに従って衝突周波
数が急激に増大する。

一般に領域Ｂ、Ｅのごとき絶対不安定領域においては、
衝突環による効果が、その衝突周波数に比例してωｉの
値を小さくする性質があるため、衝突環による効果を図
示のごとく同じ平面上に描くことができる。

これら２曲線にはさまれた斜線により示した差が実効的
なωｉ、すなわち時間的に発振が増大する程度を示す値
であ７）。

以上のことから衝突環ｋＯとして得たω・曲線と衝突環
による０１曲線との交点Ｆ、Ｇのプラズマ密度Ｎ 、
、Ｎｏは次のような意味をもつ。

１ｎ ビーズプラズマ系の密度ＮがＮｍ１ｎ以下であれば発振
は生じないが、これ以上の密度となればマイクロ波発振
が生じ、プラズマ生成Ｎが増し、プラズマ密度ＮＯまで
増大して定常に達すると考えられる。

曲線が極太値をもつ形をしているため、定常プラズマ値
Ｎｏは、はぼ極大値Ｎｍａｘに近いとみなすことができ
る。

すなわち第２の領域２内のプラズマ密度Ｎｋ高くするに
は、Ｎ ＯａＸ 値が大きくなるように外部条件と変化させる必要がある
とともに、ＮｍａＸに対応する点で発振が持続するため
に、ωｉｍの値が十分大きい必要がある。

！方、発振を開始するためには、初期条件として、ある
プラズマ密度Ｎｍｊｎが必要である。

すなわち第１の領域１から入射する電子ビーム８による
衝突電離によって生するプラズマ密度ＮがＮｍ１ｎより
大きければ、マイクロ波振動が発生してプラズマ密度Ｎ
が飛躍的に増大し、Ｎｏ（近似的にはＮ ）の密度
で定常状態となる。

こｍａＸ の条件を満足させるためには、第３の領域３のコレクタ
電極１５から電離能率の高い２次電子を第２の領域２内
に注入してＮ ・ の増７′ＪＯｋ図る方１ｎ 法や、第２の領域２および第１．第３の領域１゜３との
境界面の形状あるいはガス圧を適当に設定することが有
効である。

ビーム・プラズマ相互作用に寄与する外部条件として磁
界や入射電子ビームエネルギ、入射電子ビーム電流を変
化した時のプラズマ密度Ｎと周波数の虚部ωｉとの関係
を第６図に示す。

第２の領域２の外周に設けたマグネット１４によって第
２の領域２内に生ずる軸方向磁界は、第１の領域１から
入射する電子ビーム８を集束するとともに、第２の領域
２内のサイクロトロン周波数を規定するが、第６図ａ図
に示すように、磁界を増加すればＮｍａＸは増加する反
面、プラズマ密度Ｎの低い時のωｉが小さくなって発振
が生じにくくなる。

また第６図す図に示すように、ビーム電圧すなわち第１
の領域１から入射する電子ビームエネルギに対しても同
様な変化を示す。

一方策６因Ｃ図に示すように、電流の変化に対しては、
電流の１／３乗に比例して０１曲線が平行に増加する。

したがって、複数個の電子ビームを第２の領域に入射す
ることにより、大電流電子ビームとなり、第２の領域の
マイクロ波の発生が犬となる。

各パラメータの変化を考慮すれば、ビーム・プラズマ電
離による高密度プラズマの得られることが期待できる。

１例としてビーム電圧２０〜５０ＫＶ。電流１〜５Ａ、
磁界５〜１０ＫＧでプラズマ電離１０〜１０ ／ｃｆ
ｉｌが得られる。

このようにこの発明は、第２の領域２を第１゜第３の領
域１，３と明確に区別し、各々独立かつ、自由に電気的
９機械的要因を制御し、複数個の電子ビームにより、ビ
ーム・プラズマ電離を最も有効に生ぜしめ、第２の領域
２に高密度イオンを得ることを第１の特徴とする。

ここの発明の基本原理的特徴の第２は、多孔円板陽極７
等の多孔遮蔽板を用い、イオンビームの引き出し方式に
ある。

すなわち第２の領域２でビーム・プラズマ電離を行なう
ために、電子ビーム８を第１の領域１から入射させるが
、その電子ビーム８のもつ空間電荷によって作られる負
の電位の谷に、第２の領域２で生成されたイオンを捕促
し、イオンの空間電荷効果を電子の負電荷により中和し
つつ、入射電子ビームｅ７７Ｄ速、集束したのと同一の
電界によって電子ビーム８の進行方向と逆方向にイオン
を引き出し、非常によく集束された安定なイオンビーム
１７を得ることにある。

しかしプラズマからのイオンビームの引き出しに対して
、いわゆる比例則を適用すると、最適なイオン引き出し
系の形状ケ保ちつつ、イオン源を相似的に５倍大形化し
て同一のイオン引き出し電圧で形状が相似のイオンビー
ムを得るには、プラズマ密度ＮはＩ／Ｌ 倍にする必
要があり、結局同一のイオン電流しか得られないことに
なる。

したがってイオン源を大電流化するために、まず単孔電
極によって可能な限り大きなイオン電流を引き出し、最
適形状ケ保ったイオン引き出し系を複数個もつ多孔電極
によるイオンビーム引き出し系にしたことである。

この発明の基本原理的特徴の第３は、前記の目的を有効
に実現するために、電子ビーム入射により単孔電極によ
って可能な限り大きなイオン電流が引き出せる形状を作
り、これを多数個組合わせて多ビームによる多孔引き出
し電極系全構成し、得られる複数個イオンビーム？合成
して１本の集束性のよい大電流イオンビームを得たこと
である。

したがって複数個の電子ビームを用いる目的は、前述の
ように第２の領域２に入射する電子ビーム電流を増大し
てビームプラズマ電離を促進し、高密度プラズマを得ろ
とともに複数個の集束性のよいイオンビームを得てこれ
を合成し、高密度大電流イオンビームを得るにある。

以上のように、この発明のイオン源によると、複数個の
電子ビームを形成するとともにそれぞれの電子ビームに
よってイオンの引き出し集束を行なう第１の領域と、第
１の領域から突入する前記複数個の電子ビームによって
ガス電離を行ない、プラズマと電子ビームとの相互作用
による各種の不安定性を利用して高周波振動またはマイ
クロ波振動を発生させ、そのエネルギによる加熱によっ
て高密度のイオンを発生する第２の領域と、第２の領域
からの電子ビームをコレクタにより捕捉するとともに第
２の領域に高周波発振が発生しやすいように構造および
印加電圧を調整した第３の領域払第１の領域と第２の領
域とを区別し、前記複数個の電子ビームがそれぞれ貫通
する複数個の孔を形成した多孔遮蔽板とからなり、第２
の領域で発生したイオンを第１の領域から入射してくる
複数個の電子ビームの作る負の電位の谷にトラップし細
く絞った複数個のイオンビームを電子ビームと逆方向に
取り出しこれらを合成して集束性のよい１本のイオンビ
ームを得ることを特徴としたことにより、高輝度大電流
イオンビームを安定に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のイオン源の１実施例の断面図、第２
図および第３図はそれぞれ他の実施例の要部切断斜視図
および要部斜視図、第４図は前記実施例によるビーム・
プラズマ系の分散図、第５図はプラズマ密度・周波数虚
部特性図、第６図ａ。 ｂ、ｃ図はそれぞれ磁束密度、電子ビームエネルギ、電
子ビーム電流をパラメータとしたプラズマ密度・周波数
虚部特性図である。 １・・・・・・第１の領域、２・・・・・・第２の領域
、３・・・・・・第３の領域、８・・・・・・電子ビー
ム、１５・・・・・・コレクタ、１７・・・・・・イオ
ンビーム。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 複数個の電子ビームを形成するとともにそれぞれの
   電子ビームによってイオンの引き出し集束を行なう第１
   の領域と、第１の領域から突入する前記複数個の電子ビ
   ームによってガス電離を行ない、プラズマと電子ビーム
   との相互作用による各種の不安定性を利用して高周波振
   動またはマイクロ波振動を発生させ、そのエネルギによ
   る加熱によって高密度のイオンを発生する第２の領域と
   、第２の領域からの電子ビーム全コレクタにより捕捉す
   るとともに第２の領域に高周波発振が発生しやすいよう
   に構造および印加電圧を調整した第３の領域と、第１の
   領域と第２の領域とを区別し前記複数個の電子ビームが
   それぞれ貫通する複数個の孔を形成した多孔遮蔽板とか
   らなり、第２の領域で発生したイオンを第１の領域から
   入射してくる複数個の電子ビームの作る負の電位の谷に
   トラップし細く絞った複数個のイオンビームを電子ビー
   ムと逆方向に取り出しこれらを合成して集束性のよい１
   本のイオンビーム電流ることを特徴としたイオン源。