JPS61183900A

JPS61183900A - 高速原子線源

Info

Publication number: JPS61183900A
Application number: JP2351485A
Authority: JP
Inventors: 房男下川; 博喜桑野; 一敏長井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1985-02-12
Filing date: 1985-02-12
Publication date: 1986-08-16
Anticipated expiration: 2010-05-31
Also published as: JPH0750637B2

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〉本発明は大量の高速原子線を発生することのできる高速
原子線源に関するものである。

く従来の技術〉従来では、第５図に示す線源を用いて高速原子線を形成
している。同図に示すようにこの線源はＭ製円筒の両端
面（直径３０ｆｌ）ｔ−冷陰極３．４とすると共にこの
円筒内に同心状に環状の陽極２を配置する一方、−万の
冷陰極３にガス導入孔ｌを設けると共に冷陰極３．４ｆ
ｔ接地し、更に他方の冷陰極４の中央部に直径Ｉｆｆの
ビーム引き出し孔を穿設してなるものである。このよう
な構成の線源より取り出されるビーム５はイオン、原子
とから成る混合ビームである。この場合のイオン線と原
子線の割合は、実験の結果５０％、５０％であることが
判明している。

即ちビームの中性化率は５０％である。

従来、このビームの中性化率を増加あるいは制御する九
めに第６図又は第７図に示す方法が採用されている。第
６図に示されるものは、線源６から取り出されたイオン
・原子の混合ビーム７に対して、電子源８から電子線９
を照射することにより、混合ビーム７中のイオン線ｔ　
一部中和して原子線とするものである。この方法では、
イオンの全てを原子に変換することＦｉ困難であり、イ
オンが原子に変わる割合は数％にすぎない。従って、混
合ビームは約５１〜５２％の原子と、４８〜４９％のイ
オンとからなるビームにしか中性率を増加することがで
きず、この方法では大量の高速原子線が得られなかっｔ
０第７図に示されるものは線源６から引き出された混合
ビーム７　ｆ　Ｎｅｕｔｒａｌｉｚｅｒ　１１に斜入射
させて、混合ビーム７中のイオンの電荷を変換し、原子
線を形成する方法である。この方法では、混合ビーム７
がＮｅｕｔｒａｌｉｚｅｒ　１１　に衝突する際に、多
くは吸収、消失してしまい、大量の原子線を作ることが
できない。更に、混合ビームがＮｅｕｔｒａｌｉｚｅｒ
　１１に衝突することによってＮｅｕｔｒａｌ　１ｚｅ
ｒ自身をスパッタするため、電荷交換により得られるビ
ーム中にＮｅｕｔｒａｌｉｚｅｒ　１１の原子が混入し
ビームの純度を低下させるおそれもある。

〈発明が解決しようとする問題点〉このように、従来技術では、中性化率が約５０％程度で
あり、大量の高速原子線が得られず、また純度の高い高
速の原子線が得られないという欠点があった。本発明は
、磁石を付加することによりこのような従来技術の問題
点を解消し友高遠原子線源を提供することを目的とする
。

〈問題点を解決するための手段〉斯かる目的を達成する本発明の高速原子線源に係る構成
は環状の陽極の両側に冷陰極を各々配置すると共にこれ
らの電極間にガスを介在させて低圧ガス放電を発生させ
る一方、これら陽極及び冷陰極の外周に磁石を配置して
前記陽極と前記冷陰極との間に形成される電界に沿った
方向に磁界を印加し、陽極を中心として両端陰極間で振
動する電子とイオンとが結合した高速原子線を取り出す
ビーム放出孔をいずれかの前記冷陰極の中央に設けたこ
とを特徴とするものであり、そして磁石は磁界強度を変
化させることのできる電磁石であることが望ましい〇〈
作用〉環状の陽極とこの両側の冷陰極との間にガスを介在させ
て低圧ガス放電させると、冷陰極から放出された電子は
陽極を中心とし・て両端陰極間で振動し、その途中で多
くの気体ガス分子原子と、衝突してイオンを生ずる。振
動する電子は折り返し点である冷陰極付近では低速とな
って、イオンと再結合し高速原子線となり更く冷陰極中
央のビーム放出孔から取り出される。また、ビーム放出
孔からはイオンも同様に取り出される。ここで、振動す
る電子のうち電界と平行に運動しないものについては、
磁界によるローレンツ力が作用するため、この電子は磁
力線にからみつくように螺旋運動し、しかもその半径が
両側はど小さくなるので、発散することなく、ビーム放
出孔に集中し、イオンと大量に結合して高速原子線とな
るのである。

〈実施例〉以下、本発明の実施例について詳細に説明する。

第１図に本発明の一実施例を示す。同図に示されるよう
に、円筒状の容器の一端面が冷陰極４となると共にその
容器の他端面として冷陰極３が装着され、更にその容器
の中央部において環状の陽極２が同心状に配置されて、
直径５５１、長さ６０ｍの放電用空間が容器内に形成さ
れている。冷陰極３，４はいずれもグラファイト製であ
り、接地される一方、冷陰極３にはガス導入口１が接続
され、また冷陰極４にはその中央にビーム放出孔１４が
設けられている。更に本発明では、陽極２及び冷陰極３
，４の外周においては、これらと同心状に環状の磁石１
６が配置されており、第２図に示すように陽極２と冷陰
極３，４との間に形成される電界Ｅに沿った磁界Ｂが発
生している。磁石１６としては、直流電磁石、交流電磁
石又は永久磁石等が使用でき、磁界強度を変化させられ
る電磁石が便利である。

このような構成の高速原子線源は次の様に使用する。ま
ず、ガス導入口ｌよジ、Ａｒ等の不活性ガスを放電用空
間内に導入し、次いで、陽極２に数ｋＶ〜１ｏｋｖ程度
の直流正電圧を印加する。

すると、陽極２とその両側の冷陰極３．４間でグロー放
電が発生し、この時、冷陰極３又は４から放出される電
子１２は陽極２に向かって加速し、環状の陽極２の中央
を貫通して反対側の冷陰極４又は３に達し、ここで速度
を失っていったん停止し、あらためて陽極２に向けて加
速され、以後同様に繰り返す。即ち、冷陰極３゜４よシ
放出された電子１２は陽極２を中心にバルクハウゼンー
クルツの振動（以下Ｂ−に振動という）と呼ばれる高周
波運動を行い、その途中で多くの気体ガス、分子、原子
と衝突してイオン１３を大量に生成する。この場合、線
源内のガス圧は１０””　〜１０−”　Ｔｏｒｒであり
、また、線源内では放電におけるパッシェンの法則に基
づいて引出し方向の振動が支配的となる様に設計される
。ビーム放出孔１４付近は、Ｂ−に振動を行う電子１２
の折り返し点であり、速度の小さい電子１２が多数存在
する空間でもある。この電子１２は低速であり衝突断面
積が大きいため冷陰極４付近に飛来するイオン１３と結
合して高速原子線１５となる。また、冷陰極４に飛来し
たイオン１３は数ｋＶの運動エネルギーを有しており、
一部は冷陰極４に衝突して二次電子を放出する。放出さ
れた二次電子は初速度が数十ｅＶと低いため、大きな衝
突断面積を有しておフ、これも後続のイオン１３と結合
して高速原子線１５となる。このため、陽極２）冷陰極
３．４としては二次電子放出比が０．１程度の材料であ
り、しかも耐熱性に優れたグラファイトが好ましい。陽
極２及び冷陰極３，４をグラファイト製とすると、第４
図中丸印で示すように中性化率が約７０Ｘに向上する。

更に、本発明では電界Ｅに沿って磁界Ｂを加えている丸
め、電子１２は第２図に示すように振る舞う。即ち、Ｂ
−に振動する電子１２は電界Ｅに沿った加速度を受ける
が、他の原子、分子又は壁面に衝突するため、その運動
方向は必ずしも電界と平行ではない。電子１２の運動方
向と電界とのなす角をθとすると、電子１２が磁界Ｂか
ら受けるローレンツ力Ｆは下式で示される。

Ｆ＝ｖ＠ｇｉｎθ・ｅＢ・・・（１）但し、Ｖは電子の速度、ｅは電子の電荷である。

このローレンツ力Ｆは電子１２の運動方向及び磁界Ｂの
方向とに垂直な方向に作用し、遠心力とつり合うので下
式が成り立つ。

ｍ　（ｖ　５ｉｎ１９）’　＝　ｙ　−ｓｉｎθ・ｅＢ
　　　　　　　・”　（２）但し、ｍは電子の質量、ｒｔｄ電子が円運動を行う半径である。

また、電子の運動エネルギーは次のように衣現できる。

１　ｍｖ２　＝＝　ｅＶ　　　　　　　　　　　　　　
・・・（３）但し、■は陽極に印加した電圧である。

従ってこれら３式より、電子が円運動を行う半径ｒは次
式で表わされる。

（４２式は、第２図に示すように電子が磁力線のまわり
にからみつく様に螺旋運動する際、その半径が中央はど
大きく、両側に近づくにしたがって小さくなることを示
している。例えば、陽極冷陰極３，４の寸法を長径３ｃ
ｙｎ、陽極２の内径を２５１とすれば、この螺旋運動に
より、電子は電極系の内部で発散せずに、ビーム放出孔
１４に集中することとなり、ビーム放出孔１４付近でイ
オンと電子とが結合して大量の高速原子線が発生される
こととなる。

次に、本発明の高速原子線源の試験結果について説明す
る。尚、線源から引き出されたビームは原子線であるた
め、イオン電流に換算して電流値として示した。

第３図に高速原子線源から放射される高速原子線のビー
ム電流と磁束密度との相関を示す。

ビームは放出孔から１５°程度の開き角で放射しており
、放出孔出口における電流密度が第３図の縦軸に示しで
ある。同図に示されるように、磁束密度に比例してビー
ム電流密度が直線的に比例しており、制御が容易である
。第４図には、全ビーム中の高速原子線の割合、即ち、
中性化率と磁束密度との相関を示す。同図に示すように
、中性化率は８０〜９５Ｘであり、磁界を加えることに
より中性化率が大幅に向上することが判る。

〈発明の効果〉以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、本発
明の高速原子線源は磁石を付加して電子を発散させずに
集束することができるので大量の高速原子線を発生でき
ると共にその中性化率も向上させることができるように
なった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す概略構成図、第２図
は、第１図中の電界、磁界及び電子の運動の軌跡を示す
説明図、第３図は、ビーム電流密度と磁束密度との相関
を示すグラフ、第４図は、中性化率と磁束密度との相関
を示すグラフ、第５図（ａ）（ｂ）は、各々従来の線源
を示す概略構成図、正面図、第６図は、混合ビームに電
子線を照射する様子を示す説明図、第７図は、混合ビー
ムをＮｅｕｔｒａｌｉｚｅｒに斜入射する様子を示す説
明図である。図面中、 ■はガス導入口、２は陽極、３．４は冷陰極、５はビーム、６は線源、７は混合ビーム、８は電子源、９は電子線、１０はイオンが残存した原子線、１１はＮｅｕｔｒａｌｉｚｅｒ　。１２は電子、１３はイオン、１４はビーム放出孔、１５は高速原子線、１６は磁石である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）環状の陽極の両側に冷陰極を各々配置すると共に
これらの電極間にガスを介在させて低圧ガス放電を発生
させる一方、これら陽極及び冷陰極の外周に磁石を配置
して前記陽極と前記冷陰極との間に形成される電界に沿
つた方向に磁界を印加し、また陽極を中心として両冷陰
極間で振動する電子とイオンとが結合した高速原子線を
取り出すビーム放出孔をいずれかの前記冷陰極の中央に
設けたことを特徴とする高速原子線源。
（２）特許請求の範囲第１項において、磁石は磁界強度
を変化させることのできる電磁石であることを特徴とす
る高速原子線源。