JPS6161345A - マグネトロン補助放電付ホ−ルアクセラレ−タ - 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】 （技術分野） 本発明は、陽極および陰極を備えた放電空間に電磁石に
より磁界を印加し、気体を注入して発生させた気体放電
により生成したホールイオンを加速して射出するホール
アクセラレータ、特に、陽極部をマグネトロン型に構成
して補助放電を発生させるようにしたマグネトロン補助
放電付ホールアクセラレータに関するものである。

（従来技術） この種ホールアクセラレータは、将来、益々需要の増大
が予想される半導体製造、金属特性改善などの分野にお
いて入射ビームイオン源としての有効利用が期待される
が、従来のホールアクセラレータは、１キロアンペアま
での大電流、数百ボルト程度の低電圧、数ミリ秒程度の
嫂パルスの形態で３０度にも達する広いビーム発散角の
ホールイオンビームしか発生させ得なかった。すなわち
、第１０図に示すように、円環板状の陽極Ａと対向する
大きい円形開口をなした陰極Ｃとを備えた円筒状絶縁材
壁ＩＷがなす放電空間に外鉄型鉄芯Ｆに巻回したソレノ
イドＳによって半径方向の磁界を印加しただけの簡単な
構成の装置における放電空間に直接に気体を注入して気
体放電を発生させていた。したがって、電極加熱のため
、大電流ではあっても、低圧、短パルスのイオン射出し
かなし得す、ビーム発散角も広くならざるを得なかった
。

しかしながら、上述した産業分野や核融合の研・究分野
に用いるホールアクセラレータとしては、数キロボルト
乃至数百キロボルトの高電圧、数アンペア乃至数十アン
ペアの中程度の電流のイオンビームを連続して安定に小
さい発散角で射出し得るものを開発する必要があった。

かかる必要を満すように開発された従来のホールアクセ
ラレータとしては、英国カラム研究所による第１１図に
示す構成のものがある。すなわち、円柱状と円筒状との
石英壁Ｑを同軸に配置して構成した細長い放電空間の両
端に第１図示の従来構成におけると同様の円環状タング
ステン陽極ＴＡと円環状銅＠極００とを設け、長大な外
鉄型鉄芯Ｆに第１段および第２段のソレノイド３□およ
びＳ２を巻回して半径方向の磁界を印加し、最高電圧３
０キロボルト、最大電流１．５アンペアのホールイオン
ビームを数秒間連続して射出し得るようにしである。

しかしながら、前述した必要を満すために開発されたに
も拘わらず、上述した従来のホールアクセラレータに関
してはビーム発散角や安定性等については性能の報告が
なされておらず、しかも、・放電用ガスは、図示のとお
りに、直接に放電空間に注入するように構成されている
ので、ガス効率やビーム発散角、あるいは、再現性、作
動領域等の点に問題があったものと認められる。さらに
、従来のこの種ホールアクセラレータは、そのほとんど
がパルス動作に用いられていたので、第１０図に示した
ように、放電電極の冷却など連続動作に必要な事項につ
いて考慮がなされていなかった。

かかる放？！電極の冷却について、第１１図に示した従
来例においては、図示の各注入口ＷＩ　、注出口ＷＯに
より冷却油を流して電磁石を油冷却するとともに、冷却
水を流して銅陰極○Ｃを水冷却しであるが、放電空間内
の陽極ＴＡは、高融点金属のタングステンを冷却なしで
用いである。しかしながら、円環状の陽極’ＤＡは、そ
の表面積が小さいので、気体放電により生成した電子が
集中するためその熱損失が危惧され、長時間の連続作動
は困難とみられる。したがって、構造上電気絶縁が困鎧
な同価ＴＡにも水冷却を施すことが長時間連続作動には
不可欠の要件となる欠点があった。

・（発明の目的） 本発明の目的は、上述した従来の欠点を除去し、１０〜
１００キロボルトの高電圧、１〜１０アンペアの中電流
のホールイオンビームを、狭いビーム発散角で、フィラ
メントなしの連続運転により、安定に高い再現性および
高いガス効率をもって射出し、しかも、各種のホールイ
オンを単独もしくは同時に加速し、広い動作領域に亘っ
てイオンビームのエネルギー分布を制御し得るようにし
たホールアクセラレータ、特に、マグネトロン補助放・
電封ホールアクセラレータを提供することにある。

本発明の他の目的は、上述した性能を実用性を損うこと
なく実現して、つぎに述べるような各産業分野に応用可
能のホールアクセラレータ、特に、マグネトロン補助放
電付ホールアクセラレータを“提供することにある。

すなわち、本発明ホールアクセラレータは、例えば、 （１）半導体製造の産業分野におけるイオン注入用イオ
ン源′ 、（２）機械工具製造の産業分野における金属性能改善
、例えば、窒素イオン注入による金属材料表面の耐摩耗
性強化のためのイオン注入用イオン源 （３）製鉄産業分野における鋼板難錆化のための窒素等
注入用イオン源 （４）　　材料照射実験用イオン源 （５）　　核融合炉からの洲洩プラズマ模擬用イオン源
などに適用することを目的とする。

（発明の構成ン 本発明マグネトロン補助放電付ホールアクセラレータは
、陽極および陰極を備えた放電空間に電磁石により磁界
を印加し、気体を注入して発生させた気体放電により生
成したホールイオンを加速して射出するホールアクセラ
レータにおいて、前記陽極を前記放電空間と同軸の内外
二重の円筒形状電極により構成して当該内外二重の電極
間に電界を印加するとともに前記電極の周わりに設けた
補助電磁石により前記円筒形状の軸方向に磁界を印加し
てマグネトロン配位の補助放電を発生させ、・前記陰極
を前記放電空間とそれぞれ同軸の半球状内側陰極および
円環状外側陰極により構成するとともに前記外側陰極を
前記内側陰極より前記ホールイオンを射出する方向に突
出させたことを特徴とするものである。

（実施例） 以下に図面を参照して実施例につき本発明の詳細な説明
する。

本発明によるマグネトロン補助放電付ホールアク七うレ
ータ（ＨＡ　Ｐ　Ｉ　Ｄ　：　Ｈａｌｌ　Ａｃｃｅｌｅ
ｒａｔｏｒ　ｗｉｔｈＰｒｅｉＯｎｉＺａｔｉＯｎ旦１
ｓｃｈａｒｇｅ　）　ノ構成例を第１図に示し、その電
気回路系統を第２図に模式的に示す。

本発明によるホールアクセラレータの図示の構成は、第
１１図に示した従来構成と概略においてほぼ同一であり
、二重の長円筒状の石英壁Ｑにより囲んだ放電空間の両
端部に同軸陽極ＡＡおよび同軸陰極Ａ（３をそれぞれ配
置するとともに、外鉄型鉄芯Ｆに２段に分けて巻回した
ソレノイドＳ０よりなる電磁石によって放電空間に磁界
を印加し、ガス注入口ＧＩからガスを注入して連続的に
ガス・放電をおこさせ、各注入口ＷＩおよび各注出口Ｗ
○により流す冷却水および冷却油によって各放ｖｉｓａ
および各電磁石をそれぞれ冷却して連続動作に耐えさせ
である。

しかしながら、本発明による第１１Ｎ示の構成は、第１
１図示の従来構成と比較して、つぎの点において格段に
相違している。すなわち、第１１図示の従来構成におい
てはに電空間内に簡単な円環状のタングステン陽極ＴＡ
を配設しであるに過ぎないのに対し、第１図示の本発明
による構成においでは、内外二重の同軸円筒状をなして
゛無酸素銅よりなる同軸陽極ＡＡ　　およびＡＡ、によ
り放電空間を囲み、第２図に示すように、内外の同軸陽
極ＡＡ１゜ＡＡ２間に電圧源Ｂ２により例えば数百ボル
トの電圧ｖＭを印加して補助放電電流工Ｍを流すととも
に、第１１図示の従来構成におけると同様に、主放電領
域ＤＡに配設した第１段の電磁石ソレノイドＳ０により
放電空間に半径方向の磁界Ｂｒを印加するのとは別個に
、同軸陽極ＡＡ工、　ＡＡ２を囲んでヘルムホルツコイ
ルをなす第２段の電磁石ツレ／イト・Ｓ、を配設し、軸
方向に例えば数百ガウスの磁界Ｂｍを印加しである。し
たがって、かかる構成の放電陽極部の電磁界はマグネト
ロンと同様の配位になっており、かかるマグネトロン配
位陽極部ＭＡにおいて主放電領域ＤＡとは別個に生起さ
せた補助放電により主放電領域ＤＡにおける気体放電が
安定化する。さらに、第３図につき後述するように、第
２段の電磁石ソレノイドＳ２により軸方向に印加した磁
界がマグネトロン配位陽極部ＭＡの上端部における放電
空間を塞ぐマコール絶縁体Ｍを横切るとともに、第１段
と第２段との電磁石Ｓ□とＳ、との中間に生じた半径方
向の磁界が放電空間を囲む石英壁Ｑを横切り、それら上
下端に位置して磁束に横切られる絶縁体が負に帯電する
ので、陽極部ＨＡに補助放電により生じた電子がマグネ
トロン配位の電磁界と上下両端の負電位とにより極めて
効果的に陽極部領域に閉じ込められる。

その結果、軸方向の磁界ｖｍ二〇としてマグネトロン配
位の電磁界を用いない従来構成においては主気体放電が
極めて不安定で再現性に乏しいのに・対し、例えば軸方
向磁界Ｂｍ＝±１５０ガウス、同軸陽極間印加電圧Ｖ２
４　＞　３００ボルトとした本発明によるマグネトロン
配位の電磁界を用いたホールアクセラレータにおいては
、例えば水素Ｈ２ガスとする注入ガスの補助放電が、マ
グネトロン配位領域に閉じ込められた電子により極めて
効率・よく行なわれるので、極めて安定な主放電が得ら
れ、良好な再現性をもってホールイオンを引出すことが
できる。

また、放電空間に軸方向の磁界Ｂｍを印加する第２段の
電磁石を励磁するヘルムホルツコイルＳ。

に通電する電流の方向を反転させると、主放電領域ＤＡ
における放電空間の半径方向に印加する第１段の電磁石
ソレノイドＳ１による磁界との合成の態様が変化する。

すなわち、軸方向磁界Ｂ□〉０とし１第２図示の電気回
路系における各部電流、電圧を例えば第３図（ａ）に示
す値に設定したときには、図示のようなカブス的磁場配
位が得られ、マグネ）ｏン補助放電領域ＭＡと主放電領
域ＤＡとの境界部における磁力線が半径方向を向き、両
。

・音間における電子の移動を抑制することになり、さら
に、軸方向磁界Ｂｍ＜Ｏとして、各部電流、電圧を例え
ば第３図（ｂ）に示す値に設定したときには、図示のよ
うなミラー的磁場配位が得られ、マグネトロン補助放電
領域ＭＡと主放電領域ＤＡとの境界部における磁力線が
軸方向を向き、両者間における電子の移動の抑制が解か
れる。

その結果、第２段の電磁石ソレノイドＳ２に対する通電
方向を反転させることにより、第４図に示すように二様
のホールイオンビームの加速電流特性が得られる。した
がって、放電空間に対する軸方向印加磁界Ｂ、ｎの励磁
電流の極性および電流値並びに半径方向印加磁界Ｂｒの
励磁電流値を種々の組合わせで変化させることにより、
第５図に示すようにホールイオンビーム加速電流特性を
種々制御することが可能となる。また、マグネトロン配
位領域ＭＡに生起させる補助放電についても、　□かか
る印加磁界および印加電界並びにガス流入をそれぞれ適
切な値にして組合わせ制御することにより、良好な再現
性をもって安定に生起させるこ°とができ、しかも、電
子が流入する放電陽極の表面積を格段に増大させること
ができるので、ホールアクセラレータの連続的運転に対
して極めて好適である。

本発明ホールアクセラレータの試作実験の結果によれば
、マグネトロン配位領域ＭＡに補助放電が生起したこと
により、高いガス効率および良好な再現性をもって安定
にホールイオンビームを発生させ得るのみならず、前述
した水素Ｈ，イオンの例に限ることなく他の元素のホー
ルイオンビームも単独に、あるいは、複数種類のホール
イオンを混合し、同時に加速して射出することも可能で
あった。

一方、本発明による第１図示の構成のホールアクセラレ
ータにおいては、放電陰極についても、第１１図示の従
来構成においては円環状銅陰極ＧＯのみを配設していた
のに対し、半球状にした内側の同軸銅陰極ＡＯよおよび
円環状にした外側の同軸銅陰極ＡＯ２を内外二重に同軸
に配置するとともに、外側陰極ＡＣを内側陰極４０．に
対してイオン・ビーム射出方向にわずかに突出させて、
第２図に示すように同電位に保った内外側陰極ＡＣ□、
　ＡＯ２間においては印加電界の等電位線が軸中心に内
側に落込むような構成配置にする。その結果、外側の円
環状陰極ＡＣ２の開口から射出するホールイオンビーム
は、従来の円環状銅陰極Ｃｏのみを設けた構成に比して
、格段に良好な収束性を呈する。

−例として、開口端から２２６ミ’Ｊメートルだけ距っ
た位置におけるイオンビームの半径方向分布は、第６図
に示すように、極めて良好な収束性を呈している。なお
、この試作実験例においては、マグネトロン配位の電磁
界における補助放電を生起゛させたことにより、引出し
電力と入力電力との比によって表わす出力効率りが４６
％にも達し、従来に比して大幅に改善することができた
。また、ビーム発散角についても、従来構成においては
３０度程度に留まっていたのに対し、第７図に示すよう
に、約６度以下の極めて狭い値が得られ、マグネトロン
配位の補助放電および上述した同軸陰極形状がイオンビ
ームの収束性に大きく寄与し“ていることが実証された
。

一方、第１図示の構成による本発明ホールアクセラレー
タにおいては、連続運転に耐え得るようにするために、
熱負荷を受ける個所のすべて、すなわち、同軸二重構造
の放電陽極および放電陰極並びに第１段および第２段の
電磁石のすべてに対して冷却水並びに冷却油による強制
冷却を施しであることは前述したとおりであるが、高電
圧を印加する放電陽極部にマグネトロン配位の電磁界を
実現するためには、高電位にある内側円筒状同軸陽極Ａ
Ａ、の内壁面をも零電位の冷却水によって冷却する必要
がある。しかして、第３図から明らかなように、内側円
筒状同軸陽極ＡＡ工の延長・上に半球状同軸陰極ＡＣ工
を支持するための零電位の内側陰極支持棒ＧＡが同軸陽
極ＡＡよの内側を貫通しており、しかも、一端支持の片
持ち構造になっているので、高電位陽極ＡＡ工と零電位
陰極ＡＣ，とをそれぞれ強制冷却する冷却水は、いずれ
も、支持端側から注入、流出せざるを得ず、円筒状同軸
陽極ＡＡ、と陰極支持軸ＯＡとの隙間の狭い空間内で、
°陽極内壁面に沿い、電気絶縁および真空シールを同時
に施した状態で冷却水を昇降させる必要があった。

第１図示の構成においては、かかる困難な条件の強制冷
却を施すために、陰極支持棒（３Ａを二重管状に構成し
て同軸陰極ＡＣに対する冷却水を内側から注入して外側
に流出させ、また、同軸陽極ＡＡよについては、一層に
二重螺旋溝を設けた三ｍ円筒状の水冷チャネルを設け、
各所に）くイトンＯリングを適切に配置して電気絶縁と
真空シールとを同時に施し、二重螺ｆ！溝内に冷却水を
昇降させるようにしである。

第１図につき以上に詳述した構成による本発明ホールア
クセラレータにおいては、マグネトロン配位領域ＭＡの
軸方向磁界Ｂｍおよび同軸陽極間印加１圧ｖＭ並びに主
放電領域ＤＡの半径方向磁界賠を変化させることにより
、第８図に示すような主放電加速電流エユ。。対半径方
向軸界Ｂｒ特性、あるいは、第９図に示すような主放電
加速電流工ａ。Ｃ対生放電加速電圧ｖａｃｃ特性が得ら
れる。な″お、本発明ホールアクセラレータにおけるざ
オンビーム射出時間は、第１図示の構成におけるガス注
入口ＧＩに、ピエゾ素子によりガス流通間隙幅を電子的
に変化させるように構成したガス注入パルプを接読して
電子的に制御するので、その電子的制御のパラメータを
予め設定しておくことにより、良好な再現性をもって所
定時間だけ所定金のイオンビームを正確に射出するよう
に制御することができる。さらに、放電陽極部にマグネ
トロン配位の電磁界による補助放電を付加して生起させ
ることにより、従来に比して安定動作領域が格段に拡大
され、いわゆるダイナミックレンジが大幅に拡大された
。また、異なるイオン種が同時に存在する混合ホールイ
オンビームも高いガス効率をもって射出することが可能
となり、しかも、フィラメントは用いていないのである
から、酸素イオンビームの加速射出も原理的には可能と
なる。

（効果） 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、ホー
ルアクセラレータの放電陽極部にマグネ・トロン配位の
電磁界による補助放電領域を設けるとともに、放電陰極
部を内外二重の同軸（１Ｙ成にして外側陰極を突出させ
ることによりイオン射出端の電界を内側に向け、さらに
、連続運転時に熱負荷を受ける部分のすべてに対し、電
気絶縁および真空シールを確保した状態で強制冷却系を
設けてあり、かかる諸種の改良手段を施したことにより
、連続運転が可能な高電圧、中電流のホールイオンビー
ムを、良好な再現性および高いガス効率をもって、従来
に比し格段に広い安定動作領域において〃口達射出する
ことが可能となり、さらに、多種イオンの同時射出など
従来得られなかった医れた性能を有するホールアクセラ
レータを実現し得るという、顕著な効果を得ることがで
きる。

本発印ｊによるホールアクセラレータは、比較的簡単な
構成によって従来に比し格段に優れた特性の高エネルギ
ーイオンビームを連続して効率よく発生させることがで
き、しかも、フィラメントは用いていないので、保守を
ほとんど要せず、したがって、産業分野におけるイオン
注入用イオン源・とじて最適であり、極めて広い範囲の
産業分野に適用することができる。

本発明マグネトロン補助放電付ホールアクセラレータを
応用するに適した産業分野の具体例を挙げるとつぎのと
おりである。

（１）主放電領域を放電陽極側に近づけるとともに、弱
い半径方向磁界を放電陰極の上端に近づけることにより
、単一エネルギーに近いｌＯアンペア程度の中電流のイ
オンビームを発生させて半導体素子製造時のイオン注入
用イオン源として用いる。

（２）　　放電陽極および放電陰極をともに戯化し難い
金属材料、例えばステンレスにて製作し、あるいは、白
金波器を施すなどして酸素イオンビームを発生させ、同
じく半導体素子製造時のイオン注入用乃至絶縁用イオン
源として用いる。

（３）金Ｆｉ５製工具、もしくは、鋼材、鋼板に炭素、
窒素等、表面耐摩耗性強化用元素のイオンを注入するた
めのイオン源として用いる。なお、この場合には、本発
明ホールアクセラレータを比較的高い放電電圧で作動さ
せ、差動排気系を備えた環境内を連続移動する製品にイ
オン注入を施すことも可能である。

（４）多種イオン注入用イオン源として用いる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明ホールアクセラレータの構成例を示す縦
断面図、 第２図は同じくその構成例の電気回路系統を示す回路図
、 第３図（ａ）および（ｂ）は同じくその構成例における
磁界分布のカプス状およびミラー状の配位をそれぞれ示
す線図、 第４図は同じくその構成例におけるマグネトロン配位補
助放電の加速電流特性を示す特性曲線図、第５図は同じ
くその構成例におけるマグネトロン配位の軸方向磁界の
向きに応じた主放Ｚ　１０　連電圧および補助放電電流
特性を示す特性曲線図、第６図は同じくその構成例にお
けるイオンビーム分布特性を示す特性曲線図、 第７図は同じくその構成例におけるビーム発散・角の主
放電領域半径方向磁界依存特性を示す特性曲線図、 第８図は同じくその構成例における主放電加速電流の半
径方向磁界依存特性を示す特性曲線図、第９図は同じく
その構成例におけるイオンビーム加速電圧電流特性を示
す特性曲線図、＠ｌＯ図および第１１図は従来のホール
アクセラレータの構成をそれぞれ示す縦断面図である。 Ａ・・・陽極　　　　　　　ＴＡ・・・タングステン陽
極ＡＡ・・・同軸陽極　　　　　Ｃ・・・陰極ＣＧ・・
・銅陰極　　　　　　ＡＣ・・・同軸陰極ＤＡ・・・主
放電領域 ＭＡ・・・マグネトロン配位補助放電領域ＯＡ・・・陰
極支持棒　　　　Ｆ・・・鉄芯Ｓ、、　Ｓ、、　Ｓ２・
・・電磁石ソレノイドＩＷ・・・絶縁壁　　　　　　工
Ｐ・・・絶縁材支柱Ｑ・・・石英ｉ　　　　　　　Ｍ・
・・マコール絶縁材Ｇ■・・・ガスパルプ　　　　Ｇ工
・・・ガス注入口ＷＩ・・・冷媒注入口　　　　ＷＯ・
・・冷媒注出口Ｂｒ・・・半径方向磁界　　　Ｂｍ・・
・軸方向磁界・１０□〜工０８・・・駆動電源接続口Ｗ
ａｒ　Ｗｂ＋　Ｗｏ”’水冷管。 特許出願人　京　都　大　学　長 第４図 マデ省トσノ電界電圧鵠（ＸＶ） 第５図 卸乃向、δ１３　Ｂｔｎ　（がウスン 牟怪方向距離（ｍｍ） 半径方曲減界Ｂと（ｈ”“ウス） 第８図 半径方向・磁ＲＢ、　（が゛ウス２ 第９図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、陽極および陰極を備えた放電空間に電磁石により磁
   界を印加し、気体を注入して発生させた気体放電により
   生成したホールイオンを加速して射出するホールアクセ
   ラレータにおいて、前記陽極を前記放電空間と同軸の内
   外二重の円筒形状電極により構成して当該内外二重の電
   極間に電界を印加するとともに前記電極の周わりに設け
   た補助電磁石により前記円筒形状の軸方向に磁界を印加
   してマグネトロン配位の補助放電を発生させ、前記陰極
   を前記放電空間とそれぞれ同軸の半球状内側陰極および
   円環状外側陰極により構成するとともに前記外側陰極を
   前記内側陰極より前記ホールイオンを射出する方向に突
   出させたことを特徴とするマグネトロン補助放電付ホー
   ルアクセラレータ。 ２、特許請求の範囲第１項記載のホールアクセラレータ
   において、前記内外二重の円筒形状電極並びに前記内側
   陰極および前記外側陰極の内外にそれぞれ強制冷却を施
   したことを特徴とするマグネトロン補助放電付ホールア
   クセラレータ。 ３、特許請求の範囲第１項または第２項記載のホールア
   クセラレータにおいて、前記補助電磁石における通電の
   方向を反転させるようにしたことを特徴とするマグネト
   ロン補助放電付ホールアクセラレータ。