JPS61118938A - 超高周波イオン源点弧方法および装置 - 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】 （産業上の利用分野） この発明は超高周波イオン源の分野、特に電子源および
プラズマ点弧器の両方において用いられるイオン源の分
野に関するものである。

表面の清浄および処理においてと同様に熱核反応炉、タ
ンデム型加速器、シンクロサイクロトロンのプラズマの
高速中性子粒子ビームによる薄膜のスパッタリング、マ
イクロエツチング、イオン注入電子照射および加熱の分
野に多数の適用を有している。　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　ｊ（従来技術） これまで、超高周波イオン源は電子サイクロトロン共鳴
イオン源の原理に基づいていた。そのような公知の源に
おいて、中性気体の電離およびプラズマの出現はｈｆ（
高周波）空洞において合体させることによって、振動数
Ｆの超高周波電子磁界と一定磁界Ｂとの相乗効果をもた
らしている。このことは、後者の周波数における共鳴お
よび磁界Ｂの力線の周囲の円環路における電子の脈動ω
＝＝ｅＢＺ園を得るためである。このようにして、この
条件はＦ＝ｅＢ／２π鳳で表わされる。ここにおいて、
ｅとｍは電子の電荷と質量であり、Ｂは空洞中に存在す
る一定磁界である。そしてこの条件はプラズマ内で電子
サイクロトロン共鳴を得るためにｆとＢとを連繋する関
係を与える。電子はそれから源ｈｆ空洞内に存在する中
性気体分子の衝撃によって電離をもたらすため磁界のエ
ネルギーを吸収することによっておよび最大運動エネル
ギーを得ることによって磁界Ｂの力線の回りにスパイラ
ル路を描く。

そのようなイオン源は１９７４年１０月バニクレイで［
イオン源とイオンビームの形成についてのシンポジウム
の会報」においてアール・ゲラ−（Ｒ，Ｇｅ１ｉａｒ）
　、シー・ヤクオットＣＣ，Ｊａｃｑｕｏｔ）およびピ
ー・サーメット（ｐ、ｓｅｒｍｓｔ、）によって述べら
れ、さらにノースホランド　パブリッシング　カンパニ
イの１９８２年１９６巻３２５〜３２９頁の「核器械と
方法」においてエフ・ボルダ（Ｆ、Ｂｏｕｒｇ）、アー
ル・ゲラ−（Ｒ，Ｇ５１ｉｅｒ）　、ビーφヤクオット
（Ｂ、Ｊａｃｑｕｏｔ）、ティう一ラミイ（Ｔ、Ｌ、ａ
ｒｔｚｙ）、エム・ポンドニア（Ｍ、Ｐｏｎｔｏｎｎｉ
ｅｒ）およびジェイ・シー・ロッコ（Ｊ、Ｃ，Ｒｏｃｃ
ｏ）によって述べられている。

これらはミラー磁性原子配列（ａ　ｍ１ｒｒｏｒ　ｍａ
ｇｎｅｔｉｃ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）の助けで
プラズマの幽閉と磁界Ｂの最大値とを確立することに基
づいている。

この最大値は電子サイクロトロン共鳴を起す値よりも高
い。

そのように公知のイオン源の正しい取扱いは依然としで
ある種の特別な予防手段を必要とし、また高電気エネル
ギ消費を伴う。特に、一定の磁界を作るため、電子サイ
クロトロン共鳴をもたらすため、およびイオンの抽出の
ためにはそうである。

従って、例えばこの形式の公知のイオン源において、最
大と最小の磁気誘導値はそれぞれ０．４２および０．３
２テスラであり、電子サイクロトロン共鳴は０．３６テ
スラで起る。注入された高周波の振動数はほぼ１０ＧＨ
ｚに固定されている。

このようにして、プラズマ中で作られたイオンはｄ、ｃ
、電位、そしてそれはその磁界の最大より川下にある、
に高められる電極によって構成された抽出システムによ
って抽出される。これらの条件の下に、この源によって
発せられたイオン電流は抽出点の磁場の値に比例して減
少し、強いイオン電流を得るために、少なくともサイク
ロトロン共鳴磁場と同程度の大きさの磁場でイオンを抽
出することが必要である。

この必要性は、残念ながら、実用範囲においてイオンの
衝撃に先立って磁界を消すことによって抽出されたイオ
ンビームの良好な光学的品質と一致していない。従って
、この場合、イオンは横エネルギーを取り、ビームは散
開し、その光学的品質は減じられている。これらはブツ
シュの定理において述べられている効果にしたがってな
されている。

イオン源の川下にあるビームの光学的品質を保つために
、中性子粒子へのイオンの転移をする適用点まで、磁界
をイオンビームのドリフトスペースを全体にわたって一
定に保つ必要がある。前述した例のように、一定に保た
れるべき場はほぼ０゜３６テスラの誘導に相当し、この
磁界を作るコイルによって消費される電力はほぼ１メガ
ワツトである。

低エネルギイオン（１キロ電子ボルト（Ｋａｖ）以下）
を用いる場合において、抽出システムは高密度のものを
抽出することができない、後者を増加するために、イオ
ン源の川下にあるイオンビームを圧搾することができる
。イオンビームを圧搾するために、磁界はそれに比例し
て増加されねばならない、得られたイオンの電流密度の
増加は結果的にこの程度の大きさの磁界を作ることに関
連して生ずる技術的問題によって制限される。

従って、要約すれば、従来技術によるイオン源は磁性原
子配列を確立するため、非常に高エネルギを消費すると
いう大きな欠点を有している。一方、低運動エネルギイ
オン電流の密度の増加は、抽出の川下にある後者を使用
位置に移すために高磁界を必要とすることによる問題が
ある。

これらの欠点を取り除くために、多くの解決が毘案され
た。例えば、１９８３年５月２０日のコミッサリア　タ
　エナジー　アトミックのフランス特許出願８３０８４
０１において述べられている。

この未公開フランス出願において、磁性幽閉原子配列は
従来技術の源の磁界よりも十分に小さな磁界内でイオン
を抽出することを許容するため修正されている。これは
抽出されたビームを低エネルギへ転位する間、源内およ
びまた抽出の川下において磁性原子配列を作るために必
要とされるエネルギに関して相当な経済性を導いている
。

しかしながら、この特許出願において述べられたイオン
源は依然として空洞内においてプラズマを作るために電
子サイクロトロン共鳴を用いている。その結果、そこに
は電子サイクロトロン共鳴を作る磁界より高いか少なく
とも等しい磁界の存在を依然として必要としている。

（発明の要約） この発明は電子サイクロトロン共鳴に頼ることなく、ま
た結果的にｈｆ空洞におけるこの目的のための一定の磁
界の存在なしに作動する超高周波イオン源を点弧する方
法に関するものである。

プラズマを形成する丸めの材料の気体あるいは蒸気によ
って供給された共振器空洞を本質的に知られた方法で使
用する超高周波イオン源を点弧する方法、その空洞中へ
超高周波力を注入するシステムおよび電離されるべき媒
質内で、プラズマから空洞がマルチモード形式であるよ
うなことが特徴である空洞の外側へイオンを抽出するた
めのシステムによって電子核が作り出される。そしてプ
ラズマは超高周波力の助けのみで点弧を続けることが維
持されている。

この発明によって提供される主要な新規性は従来技術と
は非類似の次のような事実に基づいている。共振器空洞
の助けで、しかし電子サイクロトロン共鳴現象を用いる
ことなく、すなわち前述の空洞内で一定の磁界を持つこ
となしに機能する超高周波イオン源を作ることを可能と
している。言い換えれば、かつてプラズマが点弧された
ときに、共振器空洞中に注入される超高周波力の助けで
単に活性に保つことができたことが知られている。

この期待しなかった結果は従来技術におけるよりも十分
簡単に超高周波イオン源を作ることが可能となっている
。そのことは特に、電子サイクロトロン共鳴条件を作る
ための磁界の存在を通して従来必要とされる高電力消費
の除去により一層十分に経済的である。

この発明によれば、電離されるべき媒質内で電子核を作
ることによるイオン源の点弧は一度および初期点弧の間
中、さらに必要が生じたときにはいつでも繰り返し方法
において、また稀に絶対必要である常設の方法において
さえ起すことができる。

単独点弧は源を約１００ミリセカンドの再現時間の間の
脈動条件の下に作動可能にしていることが注記されるべ
きである。

直面された適用例によれば、軸およびまたは変位は多極
の磁性原子配列は依然として必要とされ、プラズマを幽
閉し均質化するために使用される。

ただ、磁界の値が電子サイクロトロン共鳴条件を作るた
めの予め必要な値に十分低い場合を除いて使用される。

この発明の点弧方法の他の特徴によれば、電離されるべ
き媒質内で電子核の形成は直接的電子散布によって得ら
れる。

他の変形例によれば、これら電子核は空洞の小さな容積
内で作るために適当な強さを有する磁界の一時的局所的
適用によって得られる。さらに順番にプラズマの形成を
導く電子サイクロトロン共鳴を確立するための条件によ
って得られる。

この方法の他の変形例によれば、電子核は空洞への過加
圧の一時的適用によって電離されるべき媒質内で形成さ
れる。

この発明はまた前述した方法を特に簡単に実施するため
の超高周波源を点弧する装置に関するも　゛のであり、
容易に採用され知られた手段を用いる装置に関するもの
である。

この発明の第１実施例によれば、プラズマを形成するた
めの材料の気体あるいは蒸気によって供給されたマルチ
モード共振器空洞を知られた方法で使用する超高周波イ
オン源を点弧させるための装置、その空洞中へ超高周波
力を注入するシステムおよび注入システムの２，３セン
チメートル川下にある外側の空洞壁の回りの電磁石によ
って構成されていることが特徴である空洞の外へプラズ
マからイオンを抽出するためのシステムがある。

そしてシステム中の磁石ケーシングは前述の空洞に適用
される。

点弧方法は空洞壁に対向した位置の電磁石によって実施
され、そしてこれは、順番にプラズマの形成を導く電子
サイクロトロン共鳴を確立するための条件を一時的局所
的方法で空洞の小さな容積中に作ることから構成されて
いる。

この発明による超高周波イオン源のための点弧装置の他
の実施例によれば、電離されるべき媒質内での電子核は
熱せられたフィラメント、電界放出ポイント、スパーク
ソース、電離計等を含む群から選択された手段の一つに
よって作られる。また選択された装置は空洞の内部にあ
るいはその壁を貫通して適用される。

最後に、この発明によれば、共振器の空洞の３寸法のそ
れぞれ、すなわち長さ、幅および高さは、空洞高周波力
注入システムの導波管の小さな側あるいは直径を超えな
ければならない。この条件は前述の特別な形状および非
常に広く用いられるマルチモードの共振器空洞内でプラ
ズマの点弧および自己保存をすることを得ることができ
るために必要である。

明らかに、この点弧方法を実施する超高周波イオン源は
無作為の知られた性質であり得るし、特に他の源のよう
に、前に参照したような変形例あるいは細部の改善を有
することができる。

したがって、例えば、そのような源はプラズマからイオ
ンを抽出するためにシステムの川下に磁性原子配列を持
つことあるいはラジアル方向の圧搾を得るために抽出さ
れたビームの転位を良好な条件の下に作るために電子を
持つことができる。

他の変形例において、イオンあるいは電子抽出システム
は付与された電位を高められる単列の電極によって構成
され得る。

最後に、制約のない方法以外の好ましい方法において使
用される他の特徴によれば、超高周波イオン源を点弧す
るための装置は、超高周波インジェクタとイオン源空洞
との間の接合領域の川下２゜３センチメータの距離に位
置されている。この位置は最大効率条件下で良好な点弧
を得るために利益であることが判明している。

同様にして、イオンあるいは電子抽出システムの川上、
それはそのシステムの近傍で、そこから相対的にわずか
な距離の位置で電離することが望まれる材料の気体ある
いは蒸気の注入にとって有利である。

（実施例） 次に限定されない実施例を示す添付した図面に基づいて
説明する。

この発明によれば、第１図は超高周波プラズマ、電子あ
るいはイオン源の実施例を簡略化した方法で、図解的に
、源の中実軸Ｚに沿って断面して示している。

例えば回転のシリンダのような形状をした真空空洞９内
において、一端は窓１３を通して超高周波力を注入する
ためのインジェクタ８を支えており。

他端はイオン、電子あるいはプラズマの使用の場所に連
結されている。この発明によれば、第１図および第２図
に示されるように、回転導波管１５は空洞９直径より小
さな直径を有している。

空洞９は使用の性質の機能に応じて無作為の形状を持つ
ことができるということを注記されるべきである。特に
、超高周波力インジェクタ８は平行に配列された数台の
超高周波インジェクタによって構成され得る。

この発明によれば、　ｈｆインジェクタシステムに関し
て第１図および第２図の寸法のように源の相対的な寸法
は空洞９が平行六面体であるという事実から無作為の性
質ではない。この場合において、空洞９の３方の寸法は
１３でｈｆ力を注入する導波管の直径あるいは小さな側
面より大きくあるべきである。プラズマの電子サイクロ
トロン共鳴に頼ることなしに活性状態でプラズマ１０を
点弧させ、および特に維持させることが望みであるなら
ば、大きくあるべきである。

２．３の１０−３から１０−’　トル（Ｔｏｒｒ）の低
圧力下でプラズマを形成するための気体あるいは蒸気は
１７の位置で導入される。この１７は、イオン抽出シス
テム１４の川上でそのシステム１４の近傍である。

空洞のマルチモード作動において、事実上源に圧力勾配
が存在する。その圧力勾配は窓１３から抽出点まで増加
しており、それから抽出点の近傍で電離されるべき気体
の導入がなされる。

他の実施例において、プラズマは他の点で作られ、空洞
９中に注入されうる。

この実施例において、点弧システム７は壁９の周囲に設
けられており、かつ環状のコイル１１と壁９に適用され
た軟鉄ケーシング１２を有する円形電磁石によって構成
されている。この電磁石は充電パルスによって、また局
所的および一時的に電子サイクロトロン共鳴条件を作る
磁場を空洞内で作ることによって放電点弧をすることが
できる。そしてプラズマは１０の位置で点弧される。イ
オンあるいは電子抽出システムはここに単列の電極１４
の形態で示されている。

容積単位で超高周波力を増加するときに、イオン電流は
増加する。それで、より大きなイオン電′　流を抽出す
ることおよび空洞の寸法を減少させることができる。そ
のことは制限された超高周波力消費である小空洞を複数
個用いることができることを示している。

電子サイクロトロン共鳴現象を作り維持するための高磁
界のこのタイプがイオン源内に不存在であることは非常
に考慮すべきニネルギ節約をもたらす。このことはこの
発明の主要な利点である。

源から抽出されたビームは第２図の例ではコイル１５の
場合である補足的磁界の適用によって抽出電極の川下で
圧搾され得た。

例示された方法において、この発明によるイオ電源は次
のような条件下でサイクロトロン共鳴磁界なしに作動し
た。

振動子　　　　　２．４５ＧＨｚ 固定ｈｆ力　　　　１　　ｋｖ 源容積　　　　　１　　ｄａ” Ｎ、−Ｐ気体　　　　５　Ｘ　１Ｇ−’ｍｂａｒ電子密
度　　　　Ｎｅｗ２Ｘ１０’Ｊ／ａｊ電子温度　　　　
Ｔｅ＝６ｅｖ カットオフ密度　Ｎａ＝７Ｘ１Ｇ” すなわちこの振動数でこの気体のためにモノモードのＥ
ＣＲ源において到達され得ない値である。

第３図は自由な形状にされ、好ましい位置に置かれたス
パークギャップスイッチ１８を備えｈこの発明によるイ
オン源を示している。このスパークギャップスイッチ１
８は絶縁物１９によってイオン源９から絶縁され、同一
イオン源９に関して電源２０によって極性が与えられて
いる。

電源２０はａ、ｃ、　（変圧器）あるいはｄ・、ｃ、で
あり得るし、この場合においてポイント１８は源９に関
して負の電位に高められている。

ａ、ｃ、あるいはｄ、ｃ、の電位差は２，３キロボルト
である。しかし、ポイント１８と源９の最も遠い壁との
間の圧力と距ｌｌｄに左右される。イオン源９が矩形を
なしているときに、イオン源９の短い側にポイント１８
が置かれることが好ましい。問題の点弧装置はグロー放
電原理によって作動する。変形例において、２個のポイ
ントを備え得る。そのとき電位差がポイント間に適用さ
れる。第３図による源は１例えば次のようなパラメータ
で作動する。

Ｐ　〜５　Ｘ　１０−’ｍｂａｒ ｄ〜　５ａｓ Ｖａ、ｃ、〜３０００Ｖ パルス長さくｌｓ 第４図において、イオン源９は散布核を作る手段として
電子放出耐火金属フィラメント２１　（Ｗ。

Ｎｏ、Ｔａ）を有している。フィラメント２１は絶縁物
２２中で源壁９を貫通しており、フィラメントを熱する
電源２３はａ、ｃ、あるいはｄ、ｃ、のいずれかである
。

標準的作動パラメータ値は約１秒間にほぼ２０００℃に
高められる２）３平方ミリメータの表面を有するフィラ
メント２１でＰ二５　Ｘ　１０−’ｍｂａｒである。

要するに、源での磁気閉じ込め場の減少や完全な抑制が
コイルを使用するときに大変に重要なエネルギの節約あ
るいは磁石を使用するときに考慮すべきコスト節約を導
くことが述べられ得る。これら磁性超高周波エネルギの
節約の結果として。

この発明による源は高圧プラットホーム（ファンデグラ
ーフゼネレータ、シンクロサイクロトロン等）上に多数
の重要な適用を有しており、この発明は従来の電子サイ
クロトロン共鳴源を有する場合でない。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による点弧装置を備えた超高周波共振
器空洞の軸方向断面図、第２図はビームの川下に補助的
プラズマ圧搾コイルが置かれた第１図と同様な軸方向断
面図、第３ａ図は電界放電ポイントの形態の点弧装置を
備えたイオン源の一例を示すもので、イオン源のＺ軸に
沿った断面図。 第３ｂ図は第３ａ図のａ　−ａ線に沿った断面図、第４
図は熱せられたフィラメントを備えたイオン源の一例を
示すもので、イオン源のＺ軸に沿った断面図である。 ７・・・点弧システム　　　　８・・・イシジェクタ９
・・・イオン源、空洞（壁）１０・・・プラズマ１１・
・・コイル　　　　　　　１２・・・軟鉄ケーシング１
４・・・イオンあるいは電子抽出システム（電極）１５
・・・コイル、導波管 １８・・・スパーク　ギャップスイッチ（ポイント）１
９．２２・・・絶縁物　　　２０．２３・・・電源２１
・・・フィラメント

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）プラズマを形成するために予定された材料の気体
   あるいは蒸気によって供給された共振器空洞を本質的に
   知られた方法で使用する超高周波イオン源点弧方法であ
   って、 超高周波力を空洞中に注入するシステムおよび電離され
   るべき媒質内でプラズマからマルチモード形式であるよ
   うな空洞の外側へイオンを抽出するためのシステムによ
   って電子核が作り出され、プラズマは超高周波力の助け
   のみで点弧を続けることが維持されることを特徴とする
   超高周波イオン源点弧方法。
2. （２）特許請求の範囲第１項において、電子核が電離さ
   れるべき媒質中で作られ、点弧が一度および初期点弧の
   間中起ることを特徴とする超高周波イオン源点弧方法。
3. （３）特許請求の範囲第１項において、電離されるべき
   媒質内で電子核の生産が繰り返し起ることを特徴とする
   超高周波イオン源点弧方法。
4. （４）特許請求の範囲第１項〜第３項のいずれか一項に
   おいて、電離されるべき媒質内で電子核の生産が直接的
   な電子散布によって得られることを特徴とする超高周波
   イオン源点弧方法。
5. （５）特許請求の範囲第１項〜第３項のいずれか一項に
   おいて、電子核は空洞の小さな容積内で、順番にプラズ
   マの形成を導く電子サイクロトロン共鳴を確立するため
   に必要な条件で、作るために十分な強さを持つ磁界の一
   時的局所的適用によって電離されるべき媒質内で作られ
   ることを特徴とする超高周波イオン源点弧方法。
6. （６）特許請求の範囲第１項〜第３項のいずれか一項に
   おいて、電離されるべき媒質内で電子核の形成は空洞に
   過加圧の一時的適用によって得られることを特徴とする
   超高周波イオン源点弧方法。
7. （７）プラズマを形成するために予定された材料の気体
   あるいは蒸気によって供給された共振器空洞を本質的に
   知られた方法で使用する超高周波イオン源点弧装置であ
   って、 超高周波力を空洞中に注入するシステムおよび電離され
   るべき媒質内でプラズマからマルチモード形成であるよ
   うな空洞の外側へイオンを抽出するためのシステムによ
   って電子核が作り出され、空洞の外壁の周りでかつ注入
   システムの２、３センチメータ川下にある電磁石によっ
   て構成され、磁石のケーシングは該ケーシングの壁に適
   用されることを特徴とする超高周波イオン源点弧装置。
8. （８）プラズマを形成するために予定された材料の気体
   または蒸気によって供給されたマルチモード共振器空洞
   を知られた方法で行う超高周波イオン源点弧装置であっ
   て、 空洞中に超高周波力を注入するためのシステムおよびプ
   ラズマから空洞の外側へイオンを抽出するためのシステ
   ムを有し、抽出システムは熱せられたフィラメント、電
   界放出ポイント、スパークソースおよび電離計を含む群
   から選択され、選択された装置が空洞内へあるいは空洞
   壁を貫通して適用されることを特徴とする超高周波イオ
   ン源点弧装置。
9. （９）特許請求の範囲第７項または第８項のいずれかに
   おいて、マルチモード共振器空洞の３寸法すなわち長さ
   、幅および高さはそれぞれ空洞内へ高周波力を注入する
   ためのシステムの導波管の小さな側あるいは直径の寸法
   より大きいことを特徴とする超高周波イオン源点弧装置
   。