JPS6011417B2 - ホロ−カソ−ド放電装置 - Google Patents

ホロ−カソ−ド放電装置

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JPS6011417B2
JPS6011417B2 JP54136626A JP13662679A JPS6011417B2 JP S6011417 B2 JPS6011417 B2 JP S6011417B2 JP 54136626 A JP54136626 A JP 54136626A JP 13662679 A JP13662679 A JP 13662679A JP S6011417 B2 JPS6011417 B2 JP S6011417B2
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節雄 鈴木
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J1/00Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J1/02Main electrodes
    • H01J1/025Hollow cathodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00Ion beam tubes
    • H01J27/02Ion sources; Ion guns
    • H01J27/08Ion sources; Ion guns using arc discharge

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、放電起動の容易化を図れるようにしたホロ
ーカソード放電装置に関する。
ホローカソード放電装置は、10‐2〜10‐40rr
の低圧ガス雰囲気に保たれた真空容器内に同軸的に対向
配置されたホローカソード(陰極)と陽極との間にホロ
ーカソードアーク放電を生じさせてプラズマを生成する
もので、イオン源やレーザ放電装置等に利用されている
第1図はホローカソ−ド放電装置の概略を示す断面模式
図である。真空容器1内に、一端閉口部を真空容器1の
外部へ導出した円筒状のホローカソード2と、このホロ
ーカソード2の他端閉口面に同軸的に対向配置された陽
極3とが設けられている。そして、これらのホローカソ
ード2および陽極3間には、アーク放電用電極4の出力
端が接続されている。
また、上記ホローカソード2および陽極3間に放電を譲
超させるガスは、前記真空容器1の外部からホローカソ
ード2の中空部を介して真空容器1内に導入され、真空
ポンプ(図示せず)等により真空容器1に設けられたガ
ス流出口laから外部に導出されている。しかして、前
記ホローカソード2の池端部内面と陽極3との間に放電
プラズマ5を生起させるようにしている。ところで、こ
の種の装置にあっては、前記ホロ‐力ソ−ド2の内径を
凪、定常運転時における放電空間のガス密度をりoH、
ガスの電子による電離断面積を。とすると一般に。
1.り。
日.dH=山日/入i〉・……………【11なる条件下
で容易に放電起動を行い得る。つまりガス圧に比例する
ガス密度りoHが高い程放電起動が容易となる。なお、
第{1ー式において入i(入i=1/(〇i・りoH)
)は電子の平均自由行程である。しかしながら、ガス密
度りoHを高くすると前記真空ポンプに大容量のものを
必要として高価格となり、またイオンビームによる影響
で真空容器1に著しい熱負荷が加わり真空容器1に損傷
が生じる等の問題がある。したがって、ガス密度刀oH
はあまり高くすることができず、一般に細/^i=0.
4〜0.5塁度の条件に設定するようにしている。一方
、前記ホローカソード2と陽極3との間の距離dは比較
的長く、またホローカソード2の電子放出面が中空円筒
の内部であるため、この電子放出面に外部電界が浸透し
‘こくい。このため、前記ガス密度りoHが低いと放電
起動が非常に困難なものとなる。そこで近年、第2図に
示すようにホローカソード2の他端閉口部近傍に起動電
極6を設置し、電極6とホローカソード2との間に高圧
パルス電圧を印加することにより放電起動を容易化させ
ようとする装置が考えられている。
この装置は、第3図に示すように放電空間のガス密度り
oHが安定した時点で起動用電源7にて起動電極6とホ
ローカソード2との間に高圧パルス電圧Vkを印加し、
両者間に放電を生じさせる。そして「 この放電により
ホローカソード2と前記陽極3との間のホローカソード
アーク放電を起動させるものである。しかしながら、こ
の種の装置にあっても放電空間のガス圧、つまりガス密
度りoHをできるだけ低くして、例えばdH/入i=0
.4陸度で使用すると前記放電起動を安定に行い得ない
と云う欠点があった。本発明はこのような事情を考慮し
てなされたもので、その目的とするところは、真空ポン
プの大容量化やイオンビームによる悪影響を招くことな
〈、放電起動を安定かつ確実に行い得るホローカソード
放電装置を提供することにある。
まず、この発明の概要を説明する。
この発明は、ホローカソード内部のガス圧を真空容器内
のガス圧に較べて高くするとともにホローカソード内に
起動電極を配置し、起動時に上記起動電極とホローカソ
ードとの間で放電を起こさせ、この放電によって生成さ
れたプラズマを使ってホローカソードと陽極との間にア
ーク放電を起こさせるようにしている。以下、この発明
の一実施例を図面を参照して説明する。
第4図において、11‘ま真空容器であり、この真空容
器111こは図示しない排気ポンプに通じる排気口12
が形成されている。しかして真空容器11内には、ホロ
ーカソード13とりング状に形成された陽極14とが、
上記陽極14を排気口12側に位置させて同軸的に対向
配置されている。
そして、ホローカソード13の陽極14側とは反対側に
位置する端部は、真空容器11の壁を気密に貫通して外
部に通じている。また、ホローカソード13の前記陽極
14側に位置する端部には中央部にオリフィスPを有し
た耐熱性のオリフィスプレート15によって閉塞されて
いる。しかして、ホローカソード13内には、このホロ
ーカソード13に対して絶縁され、かつホローカソード
13の内面に対向する関係に起動電極16が配置されて
いる。
起動電極16は、電気ヒータ線で形成されている。この
ヒータ線の両端は、ホローカソード13の壁を電気絶縁
状態に貫通して設けられたりード線17a,17bの一
端側にそれぞれ接続されている。そして、リード線17
a,17bの他端側は、真空容器11の壁を気密に貫通
してヒータ電源18の出力端に鞍続されている。また、
リード線17bはスイッチ19、直流出力を送出する起
動電源20を介してリード線21の一端側に接続されて
おり、さらに上記りード線21の池端側は真空容器11
の壁を気密に貫通してホローカソード13に接続されて
いる。また、リード線21の真空容器11外に位置する
端部は、アーク放電維持用の直流電源22、電流制限抵
抗23およびスイッチ24を介してリード線25の一端
側に接続されている。そして、リード線25の池端側は
、真空容器1 1の壁を気密に貴通して陽極14に接続
されている。一方、ホローカソード13の真空容器11
外に位置する関口は、可変コンダクタンス弁26、開閉
弁27を介して所定圧力の水素ガスを貯溜したガス溜2
8に接続されている。
なお、可変コンダクタンス弁26は、排気ポンプの能力
、オリフィス蓬等との関連において、真空容器1 1内
に前記条件、たとえば山H/^i:0.4の条件を形成
させるガス流量が得られるように予め設定されている。
また前記スイッチ19および24は図示しない制御装置
によって後述する関係に制御される。次に上記のように
構成されたホローカソード放電装置の動作を説明する。
まず、ヒータ電源18を投入するとともに排気ポンプを
動作させる。
真空容器11内が予め定められた圧力まで低下した時点
で開閉弁27を“開”に制御する。開閉弁27が“開”
になると、ガス溜28から水素ガスが、開閉弁27、可
変コンダクタンス弁26を通ってホローカソード13内
に流入し、続いてオリフィスPを通って真空容器11内
に流れ込む。そして、排気ポンプへと流れる。この場合
、可変コンダクタンス弁26が前述した関係に設定され
ているので、真空容器11内は、細/^i:0.4の条
件で安定する。また、このとき、ホローカソード13内
から真空容器11内に流れ込むガス流量がオリフィスP
によって制限されているので、ホローカソード13内の
圧力は真空容器11内の圧力に較べてはるかに高いたと
えば1〜10‐ltorrの圧力に保持される。このよ
うな状態で制御装置を動作開始させると、この装置はス
イッチ19および24を“閉”状態に制御する。スイッ
チ19が“閉”状態になると、ホローカソード13と起
動電極16との間に起動電圧が加わることになる。この
場合、ホローカソード13内は圧力が高いので上記のよ
うに起動電圧が加わると起動電極16とホローカソ−ド
13の内面との間にグロー放電が生起され、ホローカソ
ード13内にプラズマが形成される。その結果、ホロー
カソード13の内面およびオリフイスプレート15の内
面が主としてイオン衝突によって加熱され、これらの内
面から十分に電子が放出され、より高密度のプラズマが
形成される。ホローカソード13内で生じたプラズマは
、オリフイスPを通して陽極14側に拡散する。この結
果、オリフィスプレート15と陽極14との間のガス圧
で決まるブレークダウン電圧より低い電圧でホローカソ
ード13と陽極14との間で放電が起こる。一旦、放電
が起こると、スイッチ24が投入されている限り、アー
ク放電が維持される。そして、制御装置は、アーク放電
が開始された後、スイッチ19を“開”に制御し、ここ
にホロ−カソード放電装置の起動が実現される。このよ
うに、ホローカソード13のガス出口にオリフイスプレ
ート15を設け、このプレート15の存在によってホロ
ーカソード13内に放電の起こり易い圧力場を作り、さ
らにホローカソード13内に起動電極16を設け、起動
時に上記起動電極16とホローカソード13との間で放
電させてプラズマを生成させ、このプラズマを使ってホ
ローカソード13と陽極14との間の放電を起こさせる
ようにしている。
したがって、起動を容易にするために、真空容器11内
の圧力まで高める必要は全くない。
このため、真空容器11に過大な熱負荷が加わるような
こともないし、また排気ポンプの大型化を招くようなこ
ともないし、さらにはガス圧を細かく制御する必要もな
い状態で迅速かつ確実に起動させることができる。なお
、実施例では、起動電極16をヒータ線で構成し、この
ヒータ線をジュール熱で加熱するようにしている。
このような構成であると、ヒータ線から放出される熱電
子で起動電極16とホローカソード13との間の放電開
始を一層容易化できるが、必ずしもヒータ線で構成しな
くてもよい。
【図面の簡単な説明】
第1図はホローカソード放電装置の概略を示す断面漠式
図、第2図は従来装置の概略を示す断面模式図、第3図
は従来装置の作用を示すグラフ、第4図はこの発明の一
実施例の概略構成を示す模式図である。 11・・・・・・真空容器、13・・・・・・ホローカ
ソード、14・・・・・・陽極、15・・・・・・オリ
フィスプレート、16・・・・・・起動電極、20・・
・・・・起動電源、22・・・・・・放電総持用の電源
、28・・・・・・ガス溜。 第1図第2図 第3図 第4図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 真空容器と、この真空容器内を排気する手段と、前
    記真空容器内に同軸的に対向配置されたホローカソード
    および陽極と、この陽極と前記ホローカソードとの間に
    電圧を印加して上記陽極と上記ホローカソードとの間に
    アーク放電を持続させる第1の電源装置と、前記ホロー
    カソード内をガス通路とし、上記ホローカソードの前記
    陽極側に位置する開口から前記真空容器内に低圧のガス
    を供給する手段と、前記ホローカソードに設けられ上記
    ホローカソード内を通して前記真空容器内に流入する前
    記ガスの流量を制限するオリフイスプレートと、前記ホ
    ローカソード内で前記オリフイスプレートより上流位置
    に上記ホローカソードに対して絶縁して設けられた起動
    電極と、前記ホローカソードと前記陽極との間でアーク
    放電を開始させるに先立って前記起動電極と上記ホロー
    カソードとの間に電圧を印加して上記起動電極と上記ホ
    ローカソードとの間に放電を起こさせる第2の電源装置
    とを具備してなることを特徴とするホローカソード放電
    装置。 2 前記起動電極は、電気ヒータであることを特徴とす
    る特許請求の範囲第1項記載のホローカソード放電装置
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