JPS62206744A - イオン源装置 - 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〕 この発明は液体金属イオン源装置、とぐに長時間安定に
イオンビームを発生させる装置に関するものである。

〔従来の技術〕

第１０図は例えば特開昭５８−４０７４４　％公報に示
された従来のイオン源装置の構成を示す断面図である。

図において、ｆｉ＋はタンタルで形成されたリザーバ、
（２）はリザーバｔｌｌの底部に設けられた開口部、（
３］ハリザーバ＋１１内に貯留されたガリウムであり、
イオンビームの原料金属である。（４１ケよタングステ
ン製のエミッタであり、開口部（２）を貫通して、一端
がリザーバｆｉｌの側面にスポット溶接によって固着さ
れており、他端が電解研磨によりリザーバｆｉｌ外くお
いて針状に形成されている。（６）はエミッタ（４１０
針状部に対向する接地電位の引出し電極、（θ）はリザ
ーバ（１１の側面にスポット溶接されたタングステン製
の２木のフィラメント、（７）は２木のフィラメント（
６）をそれぞわスポット溶接により支持する２個の電流
端子、（第１は２個の電流端子（７）に接続する加熱電
源、（９１け一端が接地された高圧電源でアリ、リザー
バ（りオよびエミッタ＋４１に正の高電圧を印加する。

次に動作をこついて説明する。加熱電源（８）を投入す
ると電流は一方の電流端子（７）からフィラメント（６
）およびリザーバ（１）などを介して他方の電流端子（
７）へ流わる。この電流によりフィラメント（６）は発
熱し、このフィラメントからの伝導熱によってリザーバ
ｆｉ＋　、エミッタ（４１およびガリウム（３）は加熱
される。高温となったガリウムｔｌ＋け濡れ性が良好な
溶融金属となり、開口部（２）を通りエミッタ（４）の
針状部を薄膜状に覆う。このエミッタ（４）の針状部に
は高圧電源（９１により強電界が印加さねており、針状
部を覆う溶融したガリウム（３１けこの強電界によって
テーラ−コーン（Ｔａｙｌｏｒ　Ｃｏｎｅ）と称される
円錐突起を形成する。この円錐突起の先端部には電界が
集中するため、ガリウム（３）け先端部で電界蒸発し、
イオンとなって引出し電極（５１方向へ引き出される。

この際、安定なイオンビームを長時間発生させるために
は、溶融したガリウム（３）を高温に保持することによ
り、その粘性を低下させ、エミッタ（４）の針状部表面
での先端方向への流量抵抗を軽減する必要がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来のイオン源装置は以上のように構成されているので
、リザーバ＋１１の支持機能を兼ねるフィラメント（６
）には、熱歪みや機械的強度の制約から十分な電流を通
電できず、また、フィラメント（６）で発生した熱エネ
ルギーの大半は輻射などで散逸するために１．リザーバ
［１１内のガリウム（３１を有効に加熱できなかった。

さらに、エミッタ（４１０針状部の加熱はリザーバ（１
）を介した伝導熱によるため、その間に温度勾配を生じ
、上記針状部近傍のガリウム（３１を高温に保つことが
困難であった。したがって、長時間安定なイオンビーム
を発生させることが困難であるという問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、長時間安定なイオンビームを発生させるイオ
ン源装置を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係るイオン源装置は、少なくとも一端が容器
の開口部を覆通し容器外に尖端部を有するエミッタと、
このエミッタの容器内の一部または全部を被覆する絶縁
体と、エミッタと容器上の間に通電させエミッタを加熱
する電源とを備えたものである。

〔作用〕

この発明においては、絶縁体により被覆さねたエミッタ
を通電することにより、そのエミッタが発熱し、その伝
導熱によりエミッタの針状部近傍のイオン化すべき金属
を高温に加熱する。

〔実施例〕

以下、この発明の第１の実施例を図について説明する。

第１図はこの発明のｖｊｌの実施例のイオン源装置の構
成を示す断面図、第２図はその要部拡大図である。図に
おいて、（１０１ｆｌエミッタ（４）のリザーバ（１）
内の部分を被覆する円筒状の絶縁体であり、例えばアル
ミナセラミックスよりなる。α］）Ｉ／−ｉリザーバ（
１１と電流端子（７）とをろう付けで固定するか、ある
いは機械的に固定するとともに、各′１流端子（７）を
電気絶縁する絶縁支持体、０はガリウム（３）の蒸発に
よるガリウム（３）飛散を防止するための絶縁性を有す
る蓋材、ａ３は一方の電流端子（７）と工ミッタ（４１
を接続するリード線、α弔は他方の電流端子（７）とリ
ザーバｆｉｌを接続するリード線である。（８）（１エ
ミツタ（４１とリザーバ［１ｉとの間に通電させエミッ
タ（４１を加熱する加熱電源である。ｆｉｌ〜（１５１
、（７１および（９＋　１ｄ従来のものと同様である。

ただし、エミッタ１４１ｔ／−１リザーバ＋１＋の側面
に固着されているわけではなく、蓋材（イ）により支持
されている。

次に動作について説明する。加熱電源（８）を用い、第
１図に示されるように通電すると、電流は電流端子＋７
１　ｒ　’Ｊ−ド線０３および絶縁体（１０＋で被覆さ
れたエミッタ（４１を通り、ガリウム（３）を介してリ
ザーバ（１）に導かね、リード線α弔、を流端子（７）
を通って加熱電源（第１に帰還する。

この通電経路においては、主にエミッタ（４１の絶縁体
（！０）で被覆された部分が通電加熱される。この熱は
、熱輻射あるいは熱伝導番こより、ガリウム（３１およ
びリザーバ（１）全体を高温に加熱する。また、熱伝導
により、エミッタ（４１の針状部および針状部近傍のガ
リウム１３）をも高温加熱する。なお、その際、リザー
バ（１）は熱シールドとしての役割をけたす。

したがって、エミッタ（４）の針状部近傍のガリウム＋
３１の粘性が低下し、針状部先端へ長時間安定してガリ
ウム（３１が供給される。ひいては、長時間安定したイ
オンビームを発生させることができる。

さらに、加熱効率も向上する。

また、エミッタ（４）の直接接触するガリウム（３１は
小容量であり、したがって長時間動作させてリザーバｔ
ｌｌ内のガリウム（３）量が変化しても、ガリウム（３
１部分の電気抵抗の変化がわずかなため、安定的にガリ
ウム（３）の温度を制御できる。

次にこの発明の第２の実施例を説明する。第３図はこの
発明の＠２の実施例のイオン源装置の構成を示す断面図
である。図において、（１ａ）はリザーバ＋１１に投け
られた管状部であり、開口部（２）と連通している。（
１）〜（５）および（７）〜０４はこの発明の第１の実
施例と同様のものである。

次に動作について説明する。第１０図に示された従来の
イオン源装置においては、リザーバ（１１内に貯留した
ガリウム（３）の借や温度が変動することにより、ガリ
ウム（３１の重力と表面張力の平衡条件も変動するため
、エミッタ＋４１の針状部を覆うガリウム（３）の自由
表面形状が変化する。例えば第１１図および第１２図は
従来のイオン源装置のエミッタ（４１針状部近傍を示す
断面図である。（！１〜（４）は第１０図に示すものと
同様のものである。ｉ　１１図のようにガリウム（３）
が薄い膜状となっている場合と、第１２図のようにガリ
ウム（３１の量が増加している場合とでは、後者の方が
流量抵抗は低下するものの、他方、エミッタ（４）針状
部を覆うガリウム（３）の液面の曲率は鈍化し、電界強
度が緩和さねてしまう。したがって、第１２図のような
場合には、長時間安定なイオンビームを発生させること
に困難な点があった。

そこで、第３図に示されるように、リザーバｆｉｌの開
口部（２）に連通した管状部（１ａ）を設けることによ
り、エミッタ（４）の針状部を覆うガリウム（３）の自
由表面形状の変動を規制する。すると、開口部（２）ヨ
リＩＪ　ｆ　−ハ［ｘｌ外へ滲み出したガリウム（３１
は管状部（１ａ）の外径以上には広がることができない
ので、ガリウム（３１の液面は管状部（１ａ）の底面全
面を覆った状態で安定となる。したがって、管状部（１
ａ）の外径を十分小さくしておけば、管状部（１ａ）の
底面に付着するガリウム（３１の自由表面の面８Ｉは小
さくなるので、リザーバ（１）内のガリウム（３１の量
や温度の変化あるいは機械的振動などに伴う上記自由表
面の変動も小さく規制される。また、ガリウム（３）の
表面漕が小さいことから、ガリウム（３１の蒸発も抑制
される。なか、管状部（１ａ）の材質をイオン化すべき
金属と濡れ性の悪い材料（例えば原料金属ガリウムに対
してアルミナセラミックスなど）とすると、ガリウム（
３１ハ管状部（１ａ）表面を広がりに〈〈、ガリウム（
３１の蒸発面積はいっそう小さくすることができる。ま
た、管状部（ｌａ）Ｈリザーバ＋１１と別体でもよく、
例えばタンタル製の管状部材を電子ビーム溶接などで収
り付ければよい。

さらに、この発明の＄３の実施例を説明する。

第４図はこの発明の第３の実施例のイオン源装置の構成
を示す断面図、第５図は第４図のＶ−ｖ線断面図である
。図において、α５１はリザーバｆｉ＋およびエミッタ
（４１を開口部＋２）近傍で電気的かつ機械的に接続す
る接続部材である。この接続部材ａｆ３ｔ／−ｉ、エミ
ッタ（４１針状部へガリウム（３）を移送する隙間をリ
ザーバｆｉｌとエミッタ（４１との間に確保するように
配置され、例えばスポット溶接などで固定される。

ｆｌｉ〜（６１および（７）〜（ロ）は第１図に示され
たこの発明のｖＪｌの実施例と同様のものである。

次に動作について説明する。第１図に示されたこの発明
の第１の実施例のイオン源装置では、リザーバ［１１内
に貯留された原料金１ｍ１（例えばガリウム（３１）が
液体でかつ粘性が低ければ、この原料金属を介してリザ
ーバｆｌ＋とエミッタ＋４１との間に通電される。し声
がって、エミッタ（４１が発熱し、その伝導熱により原
料金属が加熱される。しかしながら、原料金属が粉末あ
るいは粒塊の金属である場合や、原料金属の粘性が高く
、リザーバｉｌｌ上部に停滞している場合には、リザー
バ＋１１とエミッタ（４）との間の通電経路が確保され
ないことがあった。

この場合、このイオン源装置は有効に機能しない。

したがって、第４図に示さね、るように、リザーバ（Ｉ
ｔ　（！：エミッタ（４１との間に接続部材α９を設け
ることにより、上記のような場合にも通電経路を確保す
る。よって、粉末あるいは粒塊の原料金属に対しても有
効に機能するイオン源装置を得ることができる。

なお、接続部材α９の構成は上記実施例に限定されるこ
となく、リザーバ（１１とエミッタ（４）とが機械的に
かつ電気的に接続され１、しかもリザーバＦｌｊ内の原
料金属をエミッタ（４１の針状部へ導く経路が確保され
ておればよい。ここで、第６図はこの発明の第４の実施
例のイオン源装置の構成を示す要部断面図、ｇＰ！Ｊ１
図はその接続部材を示す底面図、第８図はこの発明の第
５の実施例のイオン源装置の構成を示す要部断面図、第
９図はその［−ＩＸ線断面図である。図において、各符
号ｒ／′ｉ第４図に示されたものと同様のものである。

例えば第６図のように、複数の小孔を有する例えばタン
タルなどの円板を、そのうち一つの小孔にエミッタ＋４
１）針状部を貫通させて、スポット溶接などで固定して
、接続部材止とすることができる。また、第８図のよう
に、リザーバ＋１１の管状部にプレス加工などにより突
起部を設けて、エミッタ（４１に接触させ、接続部材（
至）としてもよい。

さらに、第１図に示されたように、リザーバ＋１１の上
端に着脱可能な蓋材＠を設ければ、リザーバｆｌｉ内へ
のガリウム（３）の補給が容易となり、また、加熱動作
時には、ガリウム（３）の蒸発飛散が防止できるため、
ガリウム（３１を無駄なくイオンビームとして収り出せ
る。また、上記実施例のイオン源装置ｔｆｉ構造が簡単
なので、エミッタ（３）の取り換えや長さ調節が容易で
ある。

なお、上記実施例では、絶縁体（ｌＯ）はリザーバｆｉ
ｌ内のエミッタ（４）の一部を被覆しているが、ガリウ
ム（３１のエミッタ（４）針状部先端への通路および加
熱電流の通路さえ確保されておわばリザーバｆｌｌ内の
エミッタ（４）の全部を被覆していてもよい。

才た、原料金属としてガリウム（３１を例にとって説明
したが、セシウムや、一部の共晶合金などの金属を使用
してもよい。エミッタ（４１やリザーバｆｉｌの材質も
、タングステンやタンタルなどに限ラス、他の高融点金
属を使用できる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、少なくとも一端が容
器の開口部を貫通し容器外に尖端部を有するエミッタと
、このエミッタの容器内の一部または全部を被覆する絶
縁体と、エミッタと容器との間に通電させエミッタを加
熱する電源を備えたので、長時間安定なイオンビームを
発生させるイオン源装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１の実施例のイオン源装置の構成
を示す断面図、第２図はその要部拡大図、第３図はこの
発明の￥１２の実施例のイオン源装置の構成を示す断面
図、第４図はこの発明の＠３の実施例のイオン源装置の
構成を示す断面図、第５図はそのｖ−ｖ線断面図、第６
図はこの発明の第４の実施例のイオン源装置の構成を示
す要部断面南、ｇＩＪ７図はその接続部材を示す底面図
、第８図はこの発明のＲＪ５の実施例のイオン源装置の
構成を示す要部断面図、第９図はそのｌＸ−１１線断面
図、第１０図は従来のイオン源装置の構成を示す断面図
、第１１図および第１２図はその要部断面図である。 図におりで、（１）は容器としてのリザーバ、＋２）は
開口部、（３１けイオン化すべき金属としてのガリウム
、（４１けエミッタ、（６１は引出し電極、（８）は第
２の電源としての加熱電源、ｉ９１１ｄ第１の電源とし
ての高庄電源、（１０）は絶縁体、Ｇ９け接続部材であ
る。 なお、各図中間−符′８ｔ／′ｉ同一または相当部分を
示す。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）イオン化すべき金属を貯留する導電材料からなる
   容器、この容器の上記金属貯留部に穿設された開口部、
   少なくとも一端がこの開口部を貫通し上記容器外に尖端
   部を有するエミッタ、このエミッタの上記容器内の一部
   または全部を被覆する絶縁体、上記エミッタの尖端部に
   対向する引出し電極、この引出し電極と上記尖端部との
   間に電圧を印加する第１の電源、上記エミッタと容器と
   の間に通電させ上記エミッタを加熱する第２の電源を備
   えたイオン源装置。
2. （２）容器はイオン化すべき金属を外部から供給するた
   めの供給口とこの供給口を気密する蓋材とを有すること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のイオン源装置
   。
3. （３）容器はタンタルからなることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載のイオン源装置。
4. （４）エミッタはタングステンからなることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載のイオン源装置。
5. （５）絶縁体はアルミナセラミックスからなることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載のイオン源装置。
6. （６）容器は開口部と連通する管状部を有することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載のイオン源装置。
7. （７）管状部はイオン化すべき金属と濡れ性の悪い材料
   からなることを特徴とする特許請求の範囲第６項記載の
   イオン源装置。
8. （８）容器およびエミッタは開口部近傍において電気的
   および機械的に接続することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載のイオン源装置。