JPS5983326A - 低ア−ク電圧イオン源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はイオン源に係ｐ１特に、低アーク電圧動作を行
なわせるに好適なイオン源に関する。

〔従来技術〕

低圧力（数〜数１０　Ｐ　ａ　）のガス中でアーク放電
を生ぜしめ、ガスを電離さぜプラズマとする方式のイオ
ン源において、アーク放電の電圧が低いほど望ましい特
性であることは良く知られている。

その理由は、プラズマに対する気位差が小さくなるだめ
、プラズマ側からアーク放電陰極である熱電子放出素子
へ飛び込んで＠電子の衝撃が緩和され、結果として熱電
子放出素子の寿命が長くなるためである。

従来のイオン源は、このアーク電圧が高いためアーク放
電陰極である熱電子放出素子の寿命が短いという欠点が
あった。例えば、通称磁場無し型イオン源ど呼ばれるも
のはそのアーク１ａ圧η、Ｊ：５０〜６０■、まだパケ
ット型と呼ばれるものは８０〜１００■程厩である。熱
電子放出素子の寿命は発明者の実験値によれば直径０．
５　ｒｎｍのタングステン線でイオン源が磁場無し型の
場合、約１ｏｏ。

ショットであった。寿命が短いと、それを交換するため
に、イオン源および関連する真壁系統を一度大気圧にも
どす頻度が増す。真空展を大気圧からイオン源の動作に
適した値にまでするには、一般に数〜数十時間を必要と
する。これは手間と時間とを要する作業である。また、
従来の核融合用の中性粒子入射装置用のイオン源への適
用の観点からは、放射性をおびた熱電子放出素子の取換
作業の間隔はできるだけ長期間の方が良い。

一般に、アーク電圧は、真空度に関して、ある一定の値
を境として、高アーク電圧領域と低アーク電圧領域とに
分けられる特性をもつが、低アーク電圧領域は電離の効
率が低いため使用されない。

高アーク電圧領域ではアーク電圧は真空度に依存しない
ので、真空度によシアーク冗′圧を調整することはでき
ない。また熱電子放出素子の端子電圧を高くしたり低く
したシ、あるいは熱電子放出素子の数を多くしたり少な
くしたシしても、アーク′「ｄ圧ははとんど一定で、ア
ーク或流が増減するだけである。すなわち、以上の様々
方法ではアーク１１Ｌ圧を下げることはできない。

一方、磁場無し型イオン源の方がパケット型イオン源よ
りもアーク電圧は低いが、プラズマの生成効率が劣る。

すなわち、同一のアーク電力で生成し得るプラズマの量
が少ない。両者の構造の主な相違点はパケット型はプラ
ズマ室の外壁にコバルト希土類元素系（例えば、コバル
トサマリウム、コバルトセシウム等）の永久磁石を有す
ることにある。近年、プラズマ生成効率が重視され、パ
ケット型が多用される様になると、次に、このイオン源
のアーク電圧の高いことが問題とされるに至っている。

一方、磁場無し型もアーク電圧を下げることは、依然と
して課題となっている。

以上の様に、一般に、熱電子放出素子を使用するイオン
源では、その熱電子放出素子の寿命を延ばすため、アー
ク電圧を下げることが必要とされているが、現状では下
げるだめの有効な技術がない。

〔発明の目的〕

本発明の目的はアーク放電の電圧を低くシ、もって熱電
子放出素子を長寿命としたイオン源を提供するにある。

〔発明の概要〕

アーク放電陽極（アーク放電室壁）を複数個に分割し、
各々をアーク陽極電位あるいは浮遊電位とし、それらの
組合せを種々変えてアーク放電の電圧を調べる実験を繰
返しているうち、最も電極群から遠くに位置するアーク
放電陽極を浮遊電位とした場合、アーク電圧が急に低く
なる現象を見い出し／こ。実験に用いたイオン源は、プ
ラズマ室の外壁に磁石を取付ければパケット型、また、
それらを取外せば磁場無し型となる一般的な構造である
。上記の現象が、たまたま発明者が選んだ実験１５４４
件の場合に成立するものか、それとも、広い範囲で成υ
立つものかを調べるため、プラズマ室の寸法や、永久磁
石の有無の影響を調べだ。その結果、上記の現象は、い
ずれの場合にも生じ、−膜性を持つことがわかった。

アーク電圧と熱電子放出素子の寿命との関係は、アーク
放電の電流および熱電子放出素子に通電する加熱電流が
同じという条件では、経験的に我々は以下の式が成立す
ると考えておシ、今までに良い一致を見ている。

Ｔσ■−ｎ ここで、Ｔは熱電子放出素子の寿命、■はアーク電圧、
ｎは正の常数であり実験により決められるものであるが
、はぼ２に近い値となる。従ってアーク放電の電圧を低
くすることによシ熱電子放出累子の長寿命化が図れる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を図によシ説明する。

第１図は磁場無し型イオン源の全体構成である。

プラズマ室１はプラズマ塞底板２、プラズマ室外壁３，
４．５および電極群６友シ囲われる空間であセ、内部に
タングステンなどの耐熱性金属フィラメントから成る熱
電子放出素子７が配置され、また、プラズマ室底板２の
一部に、このプラズマ室１の内部に所望のガス（例えば
水素、重水素、三重水素あるいはそれらの混合ガス）を
送シ込むガス導入口８が設けられる。その他には、各電
極は支持材９，１０，１１．１２によって固定され、各
支持材は絶縁材１３．１４，１５．１６によって電気的
な絶縁がなされている。また、これら支持材、絶縁材を
互に固定するための固定棒１７も設けられる。ところで
、プラズマ室の外壁３，４゜５を隔てるだめの絶縁材１
９も外壁間に挿入される。

ここで図示した本発明になるイオン源の動作は次のよう
になる。ずなわぢ、プラズマ室底板２とプラズマ室壁３
とを浮遊電位とし、プラズマ室壁４．５の少なくとも一
方をアーク陽極電位とする。

プラズマ室１内にガス導入口８から所望のガスを導ひき
、熱電子放出素子７に電流を流し、例えば２６００Ｃ程
度に加熱すると、プラズマ室壁の中のアーク陽極電位と
なった部分との間にアーク放電が発生し、ガスが電離さ
れ、プラズマが生成される。このプラズマは電極群６に
形成されている強電界により、イオン源の外部に引き出
される。

本発明の特徴は、プラズマ室壁３，４．５への電位の与
え方にある。これらについて以下詳細に説明する。イオ
ン源のプラズマ室の構成を簡略化して第２図に示す。本
発明になるイオン源は、プラズマ室壁が複数個に分割さ
れているので、これらのうち、少なくとも１つをアーク
陽極電位にするという制約を除けば、自白に電位の組合
せを変えることができる。これは、第３図に示すような
従来方式の単一のプラズマ室壁１８では、ここをアーク
陽極電位にするしかなかったこととの相違である。

パケット型イオン源の場合には、さらに、次の様な工夫
を必要とする。すなわち、単に第４図に示すようにプラ
ズマ室の外壁に永久磁石２０を取付けだ゛だけの横這で
は、外壁相互間の絶縁がとれない欠点がある。すなわち
、ここで使用するコバルト希土類元素系の永久磁石の電
気比抵抗は５０μΩ−ｍ程度であシ、例えば、１ｃｍ角
のＩＪｆ面形状で０．５　ｃｎｒの絶縁距離の場合には
、抵抗値は２５μΩという低い値となる。ここでコバル
ト希±９１４ｘｆＬ系の永久磁石の代シに電気比抵抗の
大きなフェライト系の永久磁石（電気比抵抗が１Ω−ｃ
１ｎ以上）企使うことが考えられるが、残留磁束密度や
保持力が３分の１程度しか々く、電気比抵抗も絶縁に十
分なほどの値ではない。従って、コバルト希土種元素系
の永久磁石の代シとはなシ得ない。

本発明の効果を有効にパケット型イオン源に作用きせる
には、第５図に示すようにプラズマ室の外ｘ＝３．４．
ｓと永久磁石２０との間に薄い絶縁フィルム２１（レリ
えはポリエチレン、ポリカーボネート、ポリイミド、ポ
リアミド、ポリアミドイミド、ポリプロピレン等の数ミ
ルの厚さのフィルム）を挿入し電気的な絶縁をとれば良
い。この間に加わる′１４Ｌ位差は、高々アーク電圧程
度であるので、フィルムの厚さは数ミルもあれば十分な
絶縁耐力をもつことになる。また、絶縁フィルム２１を
Ｅｌ（６図に示すように挿入してもよい。この場合、フ
ィルム２１で隔てられた永久磁石２０の両端には、互＃
いに逆極性の磁極が誘起されるので、機械的には固定の
／こめの支持、補強は必要としない。

プラズマ室壁を３分割して、各プラズマ室壁の電位を種
々組合経た場合のプラズマ室の特性（アーク’＋ｌ；、
圧、アーク電力、アーク効率）の実験値を第１表に示す
。

−１： 第１表 この表の結果は磁場無し型イオン源の場合である。パケ
ット型イオン源の場合も比率で結果を整理したら１１０
％のバラツキで本結果に一致したので、ここでは木表で
代表させる。結果は、プラズマ室壁をすべてアーク陽極
電位とした場合（Ａ７のプラズマ室壁が第３図に示すよ
２な単一の場合に相当する）の各々の値を基準とし、相
対値で示しだ。これらの結果かられかることは以下の様
である。

（１）電極群より最も離れ、プラズマ室底板に最も近い
所に位置するアーク室壁を浮遊電位とした場合（Ａ１，
２．３）にアーク電圧が低くなる。

（２）　　（１）の場合、浮遊電位とするプラズマ室壁
の数が多い方ＡＩ、Ａ２が少ない方Ａ３よシもアーク効
率（生成されるプラズマ密度とアーク電力との比）が良
い。（単に浮遊電位とするプラズマ室壁の数が多いだけ
では厘６からもわかるように％性の改善は見られない） （３）　　（１）、　（２）の場合、アーク陽極電位と
するプラズマ室壁は最も電極群に近い側にある。ＡＩが
そうでないＡ２の場合よυもアーク効率が良い。

従って、本発明のように、アーク放電の電極となるプラ
ズマ室の外壁を複数個に分割し、最も電極群から離えた
外壁を浮遊電位とした場合、アーク電圧を約６５％の大
きさにすることができだ。

これは熱電子放出素子の寿命を約２．４倍に延ばしたこ
とに相当する。さらに、この構造のイオン源は、プラズ
マを生成するだめに必要なアーク電力が少な゛い。すな
わち、アーク効率が良いという利点もそなえている。

本例では、プラズマ室壁を３分割した場合について説明
しだが、２つの壁を導線で結んで同一電位とした結果（
第１表では１６．３　、　Ａ４　、　Ａ７などのアーク
陽極電位）は等制約には１つのものと見なせるから、こ
の分割数は必ずしも３つである必要はなく、複数個であ
ればよい。

ただし、例外的に、イオン源が磁場無し型で、かつ、２
分割した場合だけは、本発明の効果を得ることができな
かった。

〔発明の効果〕

本発明によれば、−アーク放電の電圧が低い状態でプラ
ズマを生成できるので、熱電子放出素子の寿命を長くす
ることができる。

【図面の簡単な説明】

ｆ８１図は本発明の一夷・通例のプラズマ室をもつイオ
ン源の断面図、巣２図は第１図の要部詳細図、１略図で
ある。 １・・・プラズマ室、２・・・プラズマ室底板、３，４
゜５・・・プラズマ室壁、６・・・電極群、７・・・熱
電子放出素子、８・・・ガス導入口、９，１０，１１．
１２・・・支持材、１３，１４，１５，１６・・・絶縁
材、１７・・・固定棒、１８・・・プラズマ室壁、１９
・・・絶縁材、２０・・・永久磁石、２１・・・絶縁フ
ィルム。 １− 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １゜真空排気されるプラズマ室、このプラズマ室内に配
   置され、耐熱フィラメント金属から成る熱′Ｅ江子放出
   素子、前記プラズマ室の一部をなし、アーク放電用の陽
   極を兼ねプラズマ室壁、前記プラズマ室内に生成された
   プラズマを外部に引出すための電極群、この電極群の支
   持材、前記電極群間の絶縁拐から構成されるイオン源に
   おいて、プラズマ室壁を複数に分割し、かつ最も電極群
   から遠くに位置するプラズマ室壁を浮遊電位とすること
   ｆ：特徴とする低アーク電圧イオン源。