JPS6151729A - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は１面のイオン化により作動するイオン源に関す
る。

（従来の技術及び解決すべき問題点） この型式のイオン源は、公知であり、通常、発生させよ
うとするイオンと同じ性質の中性粒子の発生源と、中性
粒子を吸着し、かつイオンとして脱着するための少なく
とも１個の作用面を有するイオン化支持体と、中性粒子
を、吸着脱着作用によってイオンに変換するイオン化支
持体に運搬する装置と、このようにして生成されたイオ
ンの大部分を方向付けして、所定の方向に放射される１
本のビームにする装置とからなる。

従来よシ、高温の面から、原子を陽イオンまたは陰イオ
ンに脱着できることは、公知である。

この現象を支配している重要なパラメータは、第１にイ
オン化支持体の温度及び電子を抽出するのに必要な仕事
を表わす仕事関数であ）、第２に脱着要素のイオン化傾
向である。このイオン化傾向は、イオン化が正反応か負
反応かによって、イオン化ポテンシャル、または電子親
和力で表わされる。

このような脱着過程で得られるイオン化度は、サバ−ラ
ングミュア（５ａｈａ−Ｌａｎｇｍｕｉｒ　）　Ｏ方程
式で表わされる。この方程式によれば、イオン化度は、
加熱された支持体から放出されるのに必要な仕事と、陽
イオンのイオン化ポテンシャルまだは陰イオンの電子親
和力のいずれかとの差の指数関数である。

特定のイオンを生成するためには、イオン化支持体の材
料を適当に選択することによって、１に近いイオン化の
確率を得ることができる。この場合に、支持体の温度は
、イオン化の確率にほとんど影響を与えない。しかし、
この温度は、脱着過程を支配する重要な要因である。特
に、吸着された原子が、支持体の面上にある時間の長さ
に影響を与える。

このように、たとえばカリウム、ルビジウム。

またはセシウムのようなアルカリ原子のジェット流を受
ける高温度面が、吸着されたイオンをそこに集積するこ
となく、一定不変の状態の下で、原子を吸着する単位面
積当りの割合は、中性粒子の入射フラックス及び支持体
の温度によって決まる。

しかし、吸着された原子の存在により、仕事関数が変化
して、イオン化の確率が影響を受け、特に大幅に減少す
る。このように、イオン源の動作は複雑である。

イオン源の主な特徴の１つは、明るさであり、次式で表
わすことができる。

ｄ工＝１３．ｄｓ、ｄΩ、ｄＥ ここで、ｄＩは、ＥとＥ−１−ｄＥとの間にあるエネル
ギ帯において、角度θ及びφで定められる一方向に関し
て決定される立体角ｄΩをもって、表面要素ｄｓから発
生するビームの強度である。すなわち、明るさＢは、角
度θ、φ及びエネルギＥの関数である。

簡単な例として、円形の貫通孔を有する平らな電極と平
行をなす平らな発生面を考える。この放射面と、大地電
位にちる電極との間には、正または負の電位■がちるも
のとする。

明るさＢは、方位角φとは無関係であり、かつランバー
）　（Ｌａｍｂｅｒｔ）のコサイン法則に従い、法線に
対する放射方向の角度θの関数として変化するものと仮
定する。明るさＢは、次式で表わされる。

Ｂ＝４・−０・へＥ。

ＥＯは、放射面から放射される粒子の初期エネルギであ
、９　、　Ｊｏは、放射面における粒子の単位面積当υ
の流量、いわゆる流量密度である。　　。

この実施例では、熱イオン源によって放射面から放射さ
れるイオンに与えられる初期エネルギは、低い値である
ことがわかる。さらに、中性粒子の入射フラックスを決
める到来関数（ｆｏｎｃｔｉｏｎａａｐｐｏｒｔ　）が
、流量密度Ｊａを制御することから、大きな影響を与え
るものであることがわかる。

公知のイオン源は、焼結タングステンのベレットをイオ
ン化部材に使用する。タングステン粒子の間に存在する
間隙内に、アルカリ気体が入り込む。このベレットを、
約１２００Ｃの温度に加熱し、タングステン粒子間から
発生するイオンを加速させるために、電界の中に配置す
る。

中性粒子の発生源は、液体セシウムの液溜であり、その
温度は、セシウムの気体の圧力が、焼結タングステンの
ベレットの細孔を介して、前記気体セシウムが拡散しう
るように十分に高くなるように、調整される。

この第１の公知のイオン源は、イオン化される原子が、
イオン化支持体を通過するという特徴を有する。

この型式のイオン化源は、使用する放射面を大きくすれ
ば、流量を大きくすることができる。

これは、細いビームを発生するイオン源を用いるイオン
ゾンデ、イオン探針の製造に不利である。

実際には、そのために小さい放射面を製造することが困
難であるので、比較的大きな放射面を使用しなければな
らず、生成されるイオンの大部分が、ダイヤフラムによ
って除去されることになる。

第２の公知のイオン源は、熱フィラメントを使用する。

これは、電子銃と概ね同様に構成される。

すなわち、Ｕ字形の屈曲形状をなすフィラメントを、ス
クリーングリッド及び制御格子の両方の作用を有す、る
電極を貫通する円孔の中央に配置する。

フィラメント及び制御格子を、ともに正の高電圧とし、
かつ、円形貫通孔を有する大地電位の、電子銃のアノー
ドに相当する電極の反対側に配置する。

フィラメントとアノードに相当する前記電極との間の空
間に、隣接する炉から気体セシウムを充填する。セシウ
ム原子は、フィラメントの頂点でイオン化され、電界に
よυ加速゛されて、アノードの孔から放射されるので、
これらのイオンは、見かけ上、小型のイオン源から放射
されたものと考えられる。この公知の装置により、イオ
ン探針を製造しうる十分に小型のイオン源が提供される
。

しかし、この装置には、２つの重大な欠点がある。

その第１は、５ＫＶ以上の電圧では、絶縁体が金属で被
覆されたシ、電子の非励振放射が生じる等。

解決困難な原因によって、フラッジオーバカ頻繁に発生
することである。第２は、気体セシウムが、出口孔から
漏出して、装置の他の部分で液化することである。

第３の公知のイオン源は、イオン化支持体が、バフルと
して形成されており、このために、イオンビームとなっ
て放射される中性粒子の数が少なくなる。

この装置は、放電管に関するフランス国特許公報第６５
９９９号に開示されている。そのバフルは、非常に簡単
なもので６Ｄ、中性電子が直線的に伝播する場合に限シ
、機能を発揮する。

しかし、前記公報に開示されているイオン源は、輝度が
低く、エネルギが相轟分散し易く、かつかなシ大型であ
る。さらに、放電管に使用するためのものであるから、
安定性を欠き、かつ放電管内部に気体が充満することに
なる。

また、米国特許第３，２８３，１９３号明細書には、接
触反応により発生期の水素を生成するというかなシ特殊
な環境下で使用されるバフルが開示されている。この場
合には、電子のボンバードメントによって、水素原子を
、それらが分子に再結合するのに必要な時間の経過前に
、部分的にイオン化する。

このイオン源も、輝度が低く、大型であり、かつエネル
ギが分散されることが明らかである。また、はとんどの
水素原子が有効にイオン化されないので、不安定であり
、かつ気体がイオン化装置の外部に漏出することになる
。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、従来のイオン源よりも明らかに有利であ）、
かつ新規なイオン源を提供することを目的とする。

すなわち、必要に応じて、非常に明るくできる非常に小
型の放射面を備えること、中性原子または中性粒子が、
装置の他の部分に、直接に流れていくことがないこと、
フラッジオーバを生じることなく、加速電圧をｌｏＫＶ
以上にできること、低圧で使用できる固体の中性粒子発
生源を使用し、それによって、液体金属を使用する必要
がないこと、エネルギ分散度が低い安定したイオンビー
ムを発生できること、及び、カソードのスパッターによ
る電極の侵食を防止できるように、幾何学的に十分設計
されたイオンビームを発生できることである。

本発明は、面イオン化により作動するイオン源であって
、 生成されるイオンと同じ性質の中性粒子の発生源と、 前記発生源と反対側の端部に配置された出口孔以外は、
閉鎖されているダクトを、前記発生源とともに画定する
装置と、 前記出口孔に対面する位置にあυ、中性粒子を吸着して
イオンに脱着するだめの作用面を有し、かつ中性粒子の
イオンビームの通路と反対側にあるバフルからなるイオ
ン化支持体ト、 このようにして生成されたイオンを１選択された方向に
放射されるビームに集束するための装置とからなり、 前記イオン化支持体が、前記出口孔と同軸をなし、かつ
前記閉鎖ダクトの断面をそのまま縮小した断面形状を有
する円筒状の通路を内部に形成する肉薄の導電１部材の
積層体からなり、この肉薄導電性部材の中の１個が、前
記通路を横切って伸延し、かつ前記出口孔と反対側に前
記作用面を画定する中央部を有する板材からなり、かつ
、該中央部の周囲に、前記板材を貫通する周辺孔が設け
られていることによって、中性粒子が、予め前記イオン
化支持体の作用面と衝突することなく、直接に放射ビー
ムの中に進入することを防止できるほぼ完全なバフルが
形成されるイオン源が提供される。

イオン化支持体を、ダクトの端部に取り付けられた導電
性キャップ内に収容すると、有利である。

このダクトは、出口孔を除いて、前記キャップによ）完
全に閉鎖される。ダクトの寸法は、イオン化支持体によ
りもたらされるバフル効果を保持しうるように、決定さ
れる。

集束装置が１貫通孔を有し、かつ作用面と出口孔との間
に、イオンを加速して放射線ビームを発生させるための
電界を発生させるようにした外部集束電極からなると、
好都合である。

作用面と外部電極との電位差が、少なくとも１０蒔であ
り、かつ出口孔が、幅０．２〜０．３　ｒｒｒｍであシ
。

かつ外向きにラッパ状に開口しているとよい。

イオン源が、イオン化支持体を、１０００Ｃ乃至１５０
０Ｃの範囲内の温度に加熱するための加熱装置を備えて
いると、好都合である。

上述のような条件下で、中性粒子の発生源は、ガスを発
生することなく、熱分解によって中性粒子を供給する固
体化合物であると都合がよい。

出口孔と対面するイオン化支持体の作用面は。

凸状に湾曲させることができる。

以下に述べるように、このイオン源は、特に陽イオン化
されるアルカリ原子、及び陰イオン化されるハロゲン原
子について使用するのに適している。

イオン化作用面を適肖に配置することによって、中心に
おいても、周辺部分においても、イオンの密度が同じで
ちるビーム、またはイオンの大部分が、放射線の軸上に
集中しているようなビームを得ることができる。

（実施例） 本発明によるイオン源は、その幾何学的構成に本質的な
特徴を有する。この結果、添付図面は、本発明の構成に
欠くことができない事項を表示し、本明細書中の説明を
十分に補足し、かつ本発明の内容を明確にするためのも
のと考えることができる。

中性粒子発生源（１）は、円筒状の側壁（１））と、ア
ルミナ支持体（１５と係合するだめの下方に延出するス
リーブα心に固定された底ａ２とからなる。アルミナ支
持体（ｌりを除いて、第１図乃至第２図に示すイオン源
は、金属で作られている。

容器（１１には、イオン化支持体（２）へ中性粒子を送
る送給装置（３）を構成する円管状金属ダクト（７）に
接続するベルＧυが、被装されている。ベルＯυは、側
壁αＤに螺合されており、かつそれらの間には、銅製の
シールリングａ９が配置されている。

容器（１）内には、熱分解によって気体を発生させるた
めの固体化合物（１３）が収容されている。この気体は
、イオン化できるものであっても、イオン化できないも
のであってもよい。固体化合物は、圧縮成形体であって
も、離散粒子であってもよい。

ここでは、セシウム、ルビジウム、カリウムのイオンの
ような正アルカリイオンについて考えることにする。こ
れらのイオンは、そのイオン化ポテンシャルが、はとん
どの金属の仕事関数よりも小さいので、重要である。上
述したように、このような環境下では、脱着による正イ
オン化の確率は、はぼ１となる。

これらに対応する中性原子は、場合によってはイオンと
ともに、たとえばアルミノケイ酸塩、ヨウ化物、または
炭酸塩等の化合物を熱分解することによって生成される
。アルミノケイ酸塩は、残留物が固形物だけであり、か
つガスを全く発生しない点で、特に利点がある。

ダク）Ｃ３０１の上端には、出口孔６０を除いて、ダク
ト（至）を完全に閉鎖するキャップ６υが設けられてい
る。出口孔６〔は、上方に円錐状に開口しており、７字
の両足を押し拡げたような縦断面形状を有する。

キャップ６υの周縁は、ダクト（７）上の和尚な長さに
亘って、軸方向に延出している。たとえばモリブデン製
のキャップ６υの内壁に、機械加工により刻設された溝
内には、電子ボンバードメントによ）溶接されたニッケ
ル製のシールリング霞が収容されている。

このイオン源の電位を上げて、たとえばダクト（７）ま
たは第３図に示すように容器（１）の電位を、１０蒔と
する。

出口孔６０の正面に、大地接続された電極５つを配置す
る。電極印の構造は、第３図を用いて後述する。

キャップａｔ＋と、出口孔５０と、電極６つとの組合せ
によって、イオンを１本のビームに集束させて。

選択された１方向に放射するだめの集束装置（５）が構
成される。

このイオンは、キャップ団と、ダクト（至）の上端との
間に嵌装されたイオン化支持体（２）によって、生成さ
れる。

イオン化支持体（２）を、第２Ａ図に詳細に示す。

イオン化支持体（２）は５ダク）ＧＯに押圧される第１
の環状ワッシャのυと、４個の貫通孔Ｉ５１ｍａη（財
）を有する板６２と、第２のワッシャ＠ｊと、第３のワ
ッシャ（財）とからなり、それらの組合せを、キャップ
５Ｄの下面（ハ）に押圧したものである。第３のワッシ
ャ（財）は、任意によるものであり、設けても、設けな
くてもよい。

板１６つとキャップ６υの内面（ハ）との間の距離を変
化させることによυ、または、出口孔５０、貫通孔の９
［Ｆ］Ｑ　ｔ６７１　＠１１０、及びこれらの貫通孔の
中心を円周上に有する円の直径を変化させることにより
、容器（１）からのアルカリ原子が、出口孔５０）と対
面する板Ｉ４の面（２０１に当たった場合にのみ、イオ
ン源から出ることができるような、はぼ完全なバフル（
６）を構成することができる。

従って、容器（１）から生成される中性粒子のほとんど
全部が、出口孔６Ｑから出ることができない。

この現象は、複雑であり、かつ現在の時点まで、完全に
解明されていない。

以下の特徴は、有効なバフルを得る際に重要である。

すなわち、中性粒子が、ダクト（７）から出口孔５１に
直接通過する可能性が、全くまたはほとんど無いこと、
バブル（６）が１円形内壁（２１）ｔ２２２３１　（２
４）によって横方向に制限され、さらにキャップ６υの
内１（２５１によって、軸方向に制限されておシ、中性
原子が、必ずこれらの壁と１回または２回以上衝突した
後に、出口孔６１を介して放射されるイオンの大部分が
発生する作用面■と接触すること、及び１作用面■と内
面（ハ）との間の距離が、できる限シ小さいことである
。

他の要因は、たとえばセシウムの気体のように、使用さ
れる気体内の中性原子の平均自由行路である。との平均
自由行路は、一般にかなシの長さを有するが、それと、
ダクト（７）の寸法及びバフル（６）の各構成要素の寸
法との関係は、まだ解明されていない。

壁面Ｃυｃ！ａ　ａ　ａｔ＋及び内面（ハ）は、作用面
ωと同様に金属製であり、それ故に、吸着、脱着により
イオンを生成することができる。このようにして生成さ
れたイオンは、主作用面■上で吸着されて、脱着され、
直接に出口孔６１から出て行くイオンはほとんど無い。

円錐形をなして拡がっている出口孔６Ｃの頂点の半角は
、約３０度であυ、電子のとる軌跡が、第２Ａ図示の主
放射方向りに対して、最初から相当の角度をもって傾斜
している場合もあシうる。イオンを方向りに加速する電
界の作用によって、これらの軌跡は、軸方向に戻るよ゛
うに曲げられる。

さらに、肉厚が、積層体の他の構成要素（６υ（６り鞄
と同様に０．１咽である第３ワツシヤ（財）を取り外す
ことによって、中性原子が、ダクト（ト）から直接出口
孔ｌ！ｉｔｎに通過するのを防止できる。ワッシャ（財
）を取シ外すことにより、作用面■と内面（ハ）との距
離が、減少する。

上述の実施例において、バフル（６）は、板の２が、そ
の中心に対して規則的に配置された４個の偏心孔Ｉｌｉ
■■η（財）を有するように構成されているが、このよ
うな配置に限定されるものでないことは、言うまでもな
い。

孔の数は、多くすることもできるし、中心から外れてい
る限シ、不規則に配置することもできる。

または、中央部分■を支持するために十分な部だけを残
して、板６７Ｊに扇形の開口を形成することもできる。

はとんどの実施例において、ダクト（７）の端部と。

キャップ６υと、板（６７Ｊ及びワッシャ６υ關（財）
とを、１０００口から１５００Ｃの範囲内の温度に加熱
する必要がある。容器（１）も、その中に収容されてい
る化合物を熱分解するために、加熱しなければならない
。

これらの２つの加熱は、別個に行なわれる。

第３図の実施例においては、所望の温度が得られるよう
に調整可能な電流が供給されるフィラメントＦから、電
子ボンバードメントにより、加熱が行なわれる。

ダクト（至）の断面及び長さは、加熱されるイオン化支
持体による熱損失が、容器（１）とその中にある、たと
えばセシウム、アルミノケイ酸塩の化合物とを、十分な
温度にすることができる程度となるように、決められる
ので、容器（１）の加熱を別個に行なうことは、本質的
な問題ではない。

さらに第３図において、金属製支持台田には。

熱スクリーン關の背後に保護されている金属製電極器を
支持するアルミナのスペーサ但υが、取付けられている
。

イオン源を構成する各構成要素（１４）１　ａｓ　（４
１（３）、５Ｄは、第３図の中央に示されている。フィ
ラメントＦは。

キャップＩ５υの周囲に配置されておシ、アルミナのス
ペーサの０を介して、電気接続線（財）から電力が供給
される。

電極６つは、イオン源の上方に配置されるが、本実施例
の場合には、イオンが通過する中央孔５槌を有する円環
形状に形成されている。中央孔６シから幾分下流の位置
に、電極めは、中央孔を有するタンタルの熱スクリーン
５Ｇを支持している。

さらに下流の位置には、大地接続された電極６５１のた
めに、支持部材６槌によって、破線にょシ図示されたレ
ンズＱＱが支持されている。このレンズは、（イ）から
正の高電圧を受ける。

電極！ｉ５１の下側には、一点鎖線で図示される空房（
ハ）が連設されておシ、該空房は、イオン源を周囲の環
境から隔離するだめのものであって、その内部に、適当
な使用状態が得られるような部分的な真空状態を作〕出
すことができる。

レンズ（ト）は、イオン源の用途の関数として選択され
る。イオン探査機に使用する場合には、レンズ■は、本
発明によるイオン源により構成される見かけの点放射源
の実像を作シ出す役目をもつ。

実験結果によれば、このようにイオン源を使用すること
により得られる見かける点放射源の直径は、各構成要素
の寸法を図面に示す大きさとした場合に、約５０ミクロ
ンとなる。この形状は、従来装置の形状に対して、上述
のような利点を有する。

前記イオン探査機のコア部分は、キャップ５１）と、好
ましくは作用面のと内面のとの間の距離と同程度に、で
きる限シ薄いバフルと、イオン源の作用面■からイオン
を抽出するために、できる限９強い電界を該作用面につ
くシ出す機能を有するイオン抽出用の電極器とからなる
。強い電界を設けることによって、出口孔６１Ｍの直径
を増大させることなく、必要な明るさを得ることができ
る。

抽出度の高い強電界を使用する場合には、放射されたビ
ームのイオンが、それを集束する電極器の壁部の貫通孔
６０）の周辺部分に衝突するのが観察された。

電極臼は、ビームの陽イオンが衝撃しても、はとんど陰
イオンを発生しない、たとえばタンタル等の材料からな
る。しかし、この陽イオンの衝撃によって、反射して＋
ｌ０ＫＶのキャップ５Ｂを衝撃する電子が生成される。

さらに、この寄生現象によって、キャップ及びイオン源
の他の部分が加熱される。この結果、加熱用の電力の供
給が減少するので、イオン源の温度を制御することが、
不可能になる。

第４図及び第４Ａ図には、上述の寄生現象を利用した実
施例が示されている。

電極６′５の下面の出口孔５ｆＤの周囲に、絶縁部材（
５７Ａ）が配置され、自由端をなす内縁部が出口孔６ａ
と同軸をなす環状電極６Ｄを支持している。

この追加の電極６カに、電位Ｐ＝−３５０Ｖ程度のバイ
アス電圧を印加することによって、第２の放射が防止さ
れる。すなわち、集束用の電極が、初期の陽イオンの衝
撃を受けることによって生じる２次電子及び２次陰イオ
ンの発生が防止される。

さらに良い方法としては、追加の電極６７）に、Ｐ＝＋
３２０Ｖ程度の正のバイアス電圧を印加することによっ
て、第４Ａ図に示すように、２次電子及び全ゆる２次イ
オンを、イオン源の作用面１２に３上に集中させること
ができる。

この場合、先の実施例と同様に、フィラメントＦを用い
てキャップ６υを加熱することによって。

イオン源を作動状態にすることができる。さらに、追加
の電極６ηのバイアス電圧を調整して、２次電子を作用
面■上に集中させる。このときに、フィラメントＦによ
る加熱を停止させて、または少なくとも弱めて、各構成
要素（１１＋２１　（３１（４１（５）からなるイオン
化装置の外壁を介して生じる熱損失を補償することがで
きる。

本発明の実施例の変更例を以下に述べる。

上述の実施例において、イオン源の作用面は、基本的に
面０１である。しかし、十分な温度に加熱された同一金
属からなるすべての面は、一定の範囲において１作用面
として機能する。たとえば、上述した通り、キャップ５
１１の内面−、及び各側面間引■（である。

前記各側壁から発生したイオンは、次に作用面■と衝突
して、イオン状態のまま該作用面から離れ、加速されて
、第３図に示すように、出口孔６（至）及び中央孔（至
）から放射される。

しかし、出口孔艶に近接する面（ハ）の縁から放射され
たイオンは、電界と遭遇し、その作用によって湾曲した
軌跡を経て、さらに衝突を生ずることなく、孔１ＳＯ１
及び６槌から放射される。

これによって１本発明により得られる見かけの点放射源
の小さい寸法が変更されることはない。

実際には、それによって、単に密度が大きくなるだけで
ある。

しかし、ビームとして放射されるイオンの分布は、もは
や正規分布に近い形ではなく、かつ主方向りに集中して
いるが１反面、その分布はかな夛広範であり、別言すれ
ば、ビームの周辺部分が強化されている。

イオン探査機として使用する場合には、１個または２個
以上の静電レンズＯＱからなる光学式縮小装置によ少、
見かけの点放射源の寸法を、小さくする必要がちる。光
学的不変性のために、このような装置を用いてビームの
寸法を縮小すると、いかなる場合にも、開口角度が増加
することになシ。

その結果、開口収差が増加することにより、小型の探査
機を製造しようという目的に反することになる。

このために、ダイヤフラムを適当に嵌装することによっ
て、開口角度を小さくする必要が生じる。

このような条件下において、開口角度が小さい場合には
、上述の円形周縁部からイオンが放射されないことにな
るので、イオン探査機を製造するためには役立たない。

第２０図に示す実施例においては、六ホウ化ランタンの
薄肉円板を、キャップｅ５１１の内面（ハ）に接触させ
て配置することができる。この円板（６４Ａ）は。

出口孔６Ｑと概ね同じ寸法の中央孔を有する。円板（６
４Ａ）の代わシに、蒸発によって形成される六ホウ化ラ
ンタンの被覆を使用することもできる。厚さが小さくな
るので、抽出電界が増大する。

金属と異なり、六ホウ化ランタンは、たとえばセシウム
等のイオン化エネルギよりも／ＪＸさい仕事関数を有す
る。この結果、六ホウ化ランタンの円板に衝突するセシ
ウム原子は、中性原子となってそれから離れ、かつ唯一
のイオン化面でちる作用面（２０Ａ）に衝突する。

このような作用によって、出口孔１５４の周囲にある部
分（ハ）の周縁から得ることのできたイオンビームが、
失なわれるのではないかとの懸念があった。

しかし、予想に反して、事実は逆であることがわかった
。

アルカリ原子が作用面（２０Ａ）に供給される際の条件
を変更させると、イオン源の明るさが改善されるように
なる。

この現象については、完全に解明されていないが、他の
効果、たとえば六ホウ化ランタンからの電子放出、また
は、六ホウ化ランタンと、板（６４Ａ）の内面と作用面
（２０Ａ）との間に電界を生じさせる板との接触電位差
などによるものと考えられる。また、空間電荷効果も発
生しうるが、この場合には、第２Ａ図及び第２Ｃ図の形
状とは異なったものとなる。

さらに、板劫の作用面（２０Ａ）をできる限シポンバー
ドメントすることによって、イオン源をさらに点源状の
ものとすることができることがわかった。

すなわち、第２Ａ図の面■を、第２Ｃ図に示すように、
出口孔６１に面する部分を高い凸面（２ＯＡ）に形成す
ればよい。

他の実施例では、中心が中空の円錐状ビームを発生させ
るのが望ましい場合もある。この場合には、板Ｉ３の少
なくとも面■を、六ホウ化ランタンの板と取シ替えて、
イオンの発生を、出口孔６０の周囲の面（ハ）の円形周
縁部分のみに限定すればよい。

以上の説明は、すべて陽イオンの生成に関するものであ
る。本発明によるイオン源は、陰イオンの生成にも使用
することができる。

このためには、前記イオン化装置と電極６９との間の電
圧を、全く逆の一１０ＫＶにする必要がある。

この場合、追加の電極６ηは、＋３２０Ｖのバイアス電
圧に印加され、陽イオンの放射を防止する。

この最後の実施例が、金属面乃と六ホウ化ランタンから
なる面（２０とを有することは明らかである。

陰イオンの場合には、電子親和力が高い要素により、イ
オンビームが１面■から放射される。このイオンビーム
は、非常に小さな点源から発生し、イオン探針として使
用するのに適している。

たとえば、ヨウ素の結晶体を容器内に配置し、少し加熱
して、ヨウ素の気体を生成する。ヨウ素原子は、金属面
上ではイオン化しないが、六ホウ化ランタン上ではイオ
ン化する。

逆に、中心が中空である円錐状ビームを発生させる場合
には、第２Ｃ図の型式の形状を使用するが、面（２０Ａ
）をボンバードメントする必要はない。

さらに、イオンを中央部分及び周辺部分に有する非常に
強いビームを発生させる場合には、第２Ｃ図と同様の構
成を使用するが、六ホウ化ランタンを、板（６４Ａ）だ
けでなく、作用面（２０Ａ）についても使用し、他の実
施例の場合と同様に、ボンバードメントされるようにす
る。

一般に、陰イオンは、ヨウ素だけではなく、たとえば塩
素等の−・ロゲンを使用して生成することができる。ア
ルカリ原子から陰イオンを生成することもできるが、利
点が少ないと思われる。

一般的に言って、作用面の材質が２発生するイオンのイ
オン化ポテンシャルよりも大きい仕事関数を有する場合
には、陽イオンのイオン化の確率は高い。

陰イオンの場合には、作用面が、発生するイオンの電子
親和力よりも小さい仕事関数を有することが望ましい。

上記においては、イオン化の確率または電子親和力が、
非常に重要であると認められる。これらは、イオン銃の
ような非常に明るいイオン源をつくる場合に必要である
。

別の応用例としては、未知の材料を分析する質量分析器
への入口に、イオン源を使用したものがある。

この場合には、未知の材料を容器（１）の中に配置し、
加熱して、その材料の特性を表わす中性またはイオン化
された原子を発生させる。これらのイオンは、本発明に
よるイオン源を用いて、容易にビームにすることができ
る。

このような装置に応用する場合に、イオン源の明るさは
、あまシ重要ではない。しかし、それ以外の以下の諸点
が重要である。すなわち、中性粒子の発生源に、高い気
圧を必要としないこと、イオン発生面の面積が小さく、
かつビームの形状が完全に制御されること、全ての中性
原子が、イオン化作用面と衝突した後に、イオン源から
放出されること、及び、高い加速電圧を使用できること
である。

出口孔５１ｍの幾何学的形状は、必らずしも円形である
必要はない。下流での作業に必要なイオンビームの形状
により、変更することができる。

上述のイオン源は、いずれも垂直方向に設置して使用す
るものである。しかし、各構成部分を、同様の関連を維
持しつつ、配置変更することによって、傾斜位置、また
は水平位置においても使用できる。但し、中性原子の発
生源（１）は、固体化合物（１０）を収容し続けること
ができるように、変更を加える必要がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によるイオン源の主要部の縦断面図で
ある。 第２Ａ図は、第１図のイオン源の上端を示す拡大図であ
る。 第２Ｂ図は、第２Ａ図を下方から見た図である。 第２Ｃ図は、本発明の別の実施例を示す第２Ａ図と同様
の拡大図である。 第３図は、第１図のイオン源を備えるイオン源装置の縦
断面図である。 第４図は、本発明によるイオン源を使用したイオン源装
置の別の実施例である。 第４Ａ図は、第４図のイオン源装置の部分拡大図である
。 （１１中性粒子発生源、容器（２）イオン化支持体（３
）送給装置　　　　　（５）集束装置（６）バフル　　
　　　　住１固体化合物συ側壁　　　　　　　（１５
）底 （１４）スリーブ　　　　　（１９）アルミナ支持体σ
９シールリング　　　 ■作用面（２０Ａ）凸［０Ｄ（２２２ｍ　２４壁面（ハ
）内面　　　　　　　（至）ダクトＯυベル　　　　　
　　６ α出ロ孔６υキヤツプ　　　　　割シールリング５５１
電極　　　　　　　側熱スクリーン６η電極　　　　　
　　（５７Ａ）絶縁部材６Ｂ出ロ孔　　　　　　鰻 支持部材ｆ６０１Ｆ”］　　　　　　　　　おυワッシ
ャ（６２板　　　　　　　　（６３）（財）ワッシャ（
６４Ａ）円板　　　　　　ａ５１１１１ｉ６１　（６７
１襞貫通孔ＳＣ＋支持台　　　　　　例 スペーサめ電極　　　　　　　曽熱ス クリーン（ハ）接続線　　　　　 　鵜空房（９０１レンズ　　　　　　（至）位置ＦＩＧ
、１

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. （１）面イオン化により作動するイオン源であって、生
   成されるイオンと同じ性質の中性粒子の発生源と、 前記発生源と反対側の端子に配置された出口孔を除いて
   、閉鎖されているダクトを、前記発生源とともに画定す
   る装置と、 前記出口孔と対面する位置にあり、中性粒子を吸着して
   イオンに脱着するための作用面を有し、かつ中性粒子の
   イオンビームの通路と反対側にあるバフルからなるイオ
   ン化支持体と、このようにして生成されたイオンを、選
   択された方向に放射されるビームに集束するための装置 とからなり、 前記イオン化支持体が、前記出口孔と同軸をなし、かつ
   前記閉鎖ダクトの断面をそのまま縮小した断面形状を有
   する円筒状の通路を内部に形成する、肉薄の導電性部材
   の積層体からなり、前記肉薄導電性部材の中の１個が、
   前記通路を横切って伸延し、かつ前記出口孔と反対側に
   、前記作用面を画定する中央部を有する板材からなり、
   かつ 前記中央部の周囲に、前記板材を貫通する周辺孔が設け
   られていることによって、 中性粒子が、予め前記イオン化支持体の作用面と衝突す
   ることなく、直接に放射ビームの中に進入することを防
   止できるほぼ完全なバフルが形成されることを特徴とす
   るイオン源。
2. （２）イオン化支持体が、ダクトの端部に取り付けられ
   た導電性キャップ内に収容され、かつ前記キャップによ
   り、それを貫通する出口孔を除いて、前記ダクトが完全
   に閉鎖されることを特徴とする特許請求の範囲第（１）
   項に記載のイオン源。
3. （３）集束装置が、貫通孔を有し、かつ作用面と出口孔
   との間に、イオンを加速して放射線ビームを発生させる
   ための電界を発生させることができる外部集束電極から
   なることを特徴とする特許請求の範囲第（２）項に記載
   のイオン源。
4. （４）作用面と外部電極との電位差が、約１０ＫＶ以上
   であり、かつ、出口孔が、幅０．２〜０．３ｍｍであっ
   て、外向きにラッパ状に開口していることを特徴とする
   特許請求の範囲第（３）項に記載のイオン源。
5. （５）イオン化支持体を、１０００℃乃至１５００℃の
   範囲の温度に加熱するための加熱装置を備えていること
   を特徴とする特許請求の範囲第（１）項に記載のイオン
   源。
6. （６）中性粒子の発生源をイオン化支持体に接続するダ
   クトが、バフル効果を保持しうるような寸法を有するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第（１）項に記載のイオ
   ン源。
7. （７）中性粒子の発生源が、熱分解によって中性粒子を
   供給する化合物を有することを特徴とする特許請求の範
   囲第（１）項に記載のイオン源。
8. （８）中性粒子の発生源を、別個に加熱するための装置
   を備えていることを特徴とする特許請求の範囲第（１）
   項に記載のイオン源。
9. （９）イオン化支持体の作用面が、出口孔と反対側に強
   いボンバードメントを受けることを特徴とする特許請求
   の範囲第（１）項に記載のイオン源。
10. （１０）中性粒子が、アルカリ原子であることを特徴と
    する特許請求の範囲第（１）項に記載のイオン源。
11. （１１）中性粒子が、ハロゲン原子であることを特徴と
    する特許請求の範囲第（１）項に記載のイオン源。
12. （１２）イオンが陽イオンであり、前記イオンのために
    、作用面の材料の仕事関数が、前記イオンのイオン化ポ
    テンシャルよりも大きいことを特徴とする特許請求の範
    囲第（１）項に記載のイオン源。
13. （１３）イオンが、セシウム、ルビジウム、またはカリ
    ウムのイオンであり、かつ作用面が、金属面であること
    を特徴とする特許請求の範囲第（１２）項に記載のイオ
    ン源。
14. （１４）キャップの内面が、出口孔に対応する貫通孔を
    中央に有する六ホウ化ランタンの薄肉円板を備えている
    ことを特徴とする特許請求の範囲第（１３）項に記載の
    イオン源。
15. （１５）イオンが陰イオンであり、前記イオンのために
    、作用面の材料の仕事関数が、前記イオンの電子親和力
    よりも小さいことを特徴とする特許請求の範囲第（１）
    項に記載のイオン源。
16. （１６）イオンが、ヨウ素イオンまたは塩素イオンであ
    り、かつ作用面の材料が、六ホウ化ランタンのような低
    い仕事関数を有することを特徴とする特許請求の範囲第
    （１５）項に記載のイオン源。
17. （１７）集束電極が、その上流側に、前記集中電極に対
    する電子のボンバードメントにより生成され、イオン化
    支持体に向って帰還する２次粒子を制御するための第２
    の電極を備えていることを特徴とする特許請求の範囲第
    （３）項に記載のイオン源。
18. （１８）１次イオンが陽イオンであり、かつ第２電極に
    バイアス電圧を印加して、２次電子ビームを防止するこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第（１７）項に記載のイ
    オン源。
19. （１９）１次イオンが陽イオンであり、かつ第２電極に
    バイアス電圧を印加して、２次電子のビームを、キャッ
    プの出口孔を介してイオン化支持体の作用面に集束する
    ことにより、イオン源を少なくとも部分的に加熱できる
    ようになっていることを特徴とする特許請求の範囲第（
    １７）項に記載のイオン源。
20. （２０）集束電極が、タンタルからなることを特徴とす
    る特許請求の範囲第（１８）項または第（１９）項に記
    載のイオン源。
21. （２１）出口孔及び集束電極の下流位置に、光学縮小装
    置を備えていることによって、非常に小型でかつ高輝度
    のイオン探針として使用することができることを特徴と
    する特許請求の範囲第（１）項に記載のイオン源。