JPS63281337A - 高速原子線源 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、効率よく大量の高速原子を長時間にわたって
放出すると同時に、放出する高速原子の運動エネルギー
を任意の値に設定することのできる高速原子線源に関す
るものである。

［従来の技術］ 常温大気中で熱運動している原子は、概ね０．ｏ５ｅＶ
前後の運動エネルギーを有している。これに比べて遥か
に大きな運動エネルギーで飛翔する原子を「高速原子」
と呼び、それが一方向にビーム状に流れる場合に「高速
原子線」と言う。

従来発表されている、気体原子の高速原子線を発生する
高速原子線源のうち、運動エネルギーが０．５〜１ｏｋ
ｅＶのアルゴン原子を放射する高速原子線源の一例を第
５図に示す。図中、１は円筒形の陰極、２は陰極１内に
配置したドーナッツ状の陽極、３は０．５〜１０ｋＶの
直流高圧電源、４は陰極１内へのガス導入孔、５はアル
ゴンガス、６はプラズマ、７は陰極１の一方の底面に設
けた高速原子線の放出孔、８は放出孔７から出射する高
速原子線である。

この高速原子線源は以下のとおりに動作する。

直流高圧電源３以外の構成要素を真空容器に入れて十分
に排気した後、ガス導入孔４からアルゴンガス５を円筒
形陰極１の内部に注入する。ここで、直流高圧電源３に
よって、陽極２が正電位、陰極１が負電位となるように
、直流高電圧を印加する。それにより、陰極１と陽極２
との間にグロー放電が起きてプラズマ６が発生し、アル
ゴンイオンと電子が生成される。この放電において、円
筒形陰極１の底面から放出される電子は、陽＄ｉ２に向
けて加速され、陽極２の中央の孔を通過して、円筒形陰
極１の反対側の底面に達し、ここで速度を失って反転し
、あらためて陽極２に向けて加速され始める。このよう
に、電子は、陽極２の中央の孔を介して、円筒形陰極１
の両方の底面の間を高周波振動し、その間にアルゴンガ
スに衝突して、多数のアルゴンイオンを生成する。この
ようにして発生したアルゴンイオンは、円筒形陰極１の
底面に向けて加速され、十分な運動エネルギーを得るに
到る。この運動エネルギーは、陽極２と陰極１との間の
放電維持電圧が、例えば１ｋＶのときは、１　ｋｅＶ程
度の値となる。円筒形陰極１の底面近傍の空間は高周波
振動をする電子の折り返し点であって、低エネルギーの
電子が多数存在する空間である。この空間に入射したア
ルゴンイオンは電子と衝突し、再結合してアルゴン原子
に戻る。この、イオンと電子の衝突においては、電子の
質量がアルゴンイオンに比べて無視できる程に小さいた
めに、アルゴンイオンの運動エネルギーはほとんど損失
なくそのまま原子に受は継がれて高速原子となる。した
がって、この場合の高速原子の運動エネルギーは１　ｋ
ｅＶ程度である。この高速原子は円筒形陰極１の一方の
底面にあけられた放出孔７から高速原子線８となって放
出される。

［発明が解決しようとする問題点］ このような従来の高速原子線源では、イオンの発生に最
も重要な陰極底面がフラットな平板であるために、高密
度のプラズマの発生が困難であり、大量の高速原子線を
取り出すことが難しい。

しかも、高速原子線放出孔７を有する陰極底面は、通常
、薄い金属板で作られているから、高速原子およびイオ
ンの衝撃を受けてスパッタして消耗するので、長時間に
わたって高速原子線を取り出すのには問題があった。

また、これらの高速原子線源に利用されている低気圧放
電は、ガス圧をパラメーターとして、第６図に示すよう
な電圧−電流特性を示す。したがって、従来の高速原子
線源において、高速原子線の運動エネルギーを調節する
ために電源電圧を変えると、放電電流値が変化してしま
い、高速原子線量の変動をきたす。そこで、高速原子線
・量を一定に保ったまま高速原子線の運動エネルギーを
調節するためには、第５図の電源３の出力電圧を変える
と同時にアルゴンガス５の流入量を調節してガス圧調整
を行うというような煩雑な制御および操作が必要であっ
た。しかも、アルゴンガス５のガス圧の微調整は困難で
あるから、高速原子線運動エネルギーを精度よく調節す
ることは容易なことではなかった。

そこで、本発明の目的は、効率よく大量の高速原子を長
時間にわたって取り出すことができ、かつ、高速原子線
の放出線量を変化させることなく、高速原子線のエネル
ギーを調節することのできる高速原子線源を提供するこ
とにある。

［問題点を解決するための手段］ このような目的を達成するために、本発明は、複数のホ
ローカソードから成る第１陰極と、第１陰極に対向して
配設された円錐台形の内面をもつ第２陰極と、第１およ
び第２陰極の中間に配設されたリング状陽極と、第１お
よび第２陰極に負電位を印加し、陽極に正電位を印加し
て陽極と第１および第２陰極との間に放電を起こすため
の直流高圧電源と、第２陰極を負の電位に保つための直
流バイアス電源とを具えたことを特徴とする。

本発明の他の形態は、複数のホローカソードから成る第
１陰極と、第１陰極に対向して配設された円錐台形の内
面をもつ第２陰極と、第１および第２陰極の中間に配設
されたリング状陽極と、第１および第２陰極に負電位を
印加し、陽極に正電位を印加して陽極と第１および第２
陰極との間に放電を起こすための直流高圧電源と、第２
陰極を負の電位に保つための直流バイアス電源と、ホロ
ーカソードを陽極に対して移動可能となし、ホローカソ
ードと陽極との距離を調節可能とする微動装置とを具え
たことを特徴とする。

［作　用］ 本発明によれば、複数のホローカソードを用いてプラズ
マ密度を高めるようにしたので、大量のイオンを生成で
きる。しかも、一方の陰極の内面を円錐台形となし、そ
の台形頂部に高速原子線放出用の開口をあけたので、そ
の陰極の円錐状内面折 で電子が確実に万り返され、高速原子線の発生効率が高
く、しかも、その開口の開口率が高いので、大量の高速
原子線を放出で診ると共に、開口の消耗が少ないので、
長寿命の高速原子線源を提供できる。さらに加えて、複
数のホローカソードから成る陰極と陽極との距離を変え
ることで、高速原子線のエネルギーを調節できるように
したので、エネルギー調整の精度を高めることができる
。

［実施例］ 以下図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す。図中、第５図と同様
の個所には同一の符号を付す。第１図において、２１は
複数の中空円筒状のホローカソード２１ａから構成され
た第１陰極、２２は円錐台形の第２陰極、２３はリング
状の陽極であり、陰極２１および２２は陽極２３をはさ
んで対向して配置される。２４は直流バイアス電源、２
５は第２陰極２２の台形頂部にあけられた高速原子線放
出開口である。

なお、第２陰極２２は、本例では内外両面ともに円錐台
形をなしているが、第２陰極２２としては、その内面が
円錐台形をなしていればよく、その外形は必ずしも円錐
台形である必要はない。

本実施例の高速原子線源は次のように動作する。

円錐台形の第２陰極２２は、直流電源２４によって、第
１陰極２１より僅かに低い電位にバイアスされている。

電源３および２４以外の構成要素を真空容器に入れて十
分に排気した後、アルゴンガスな１０−２〜１０−’Ｔ
ｏｒｒの圧力になるまで導入する。ここで、直流高圧電
源３によって、陽極２３が正電位、陰極２１および２２
が負電位となるように、直流高電圧を印加する。それに
より、陰極２１および２２と陽極２３との間でグロー放
電が起き、プラズマが発生し、アルゴンイオンと電子が
生成される。

第５図の場合と同様に、第１陰極２１から放出される電
子は、陽極２３に向けて加速され、陽極２３の中央の孔
を通過して、第２陰極２２に達し、ここで速度を失って
反転し、あらためて陽極２３に向けて加速され始める。

このようにして、電子は陽極２３の中央の孔を介して、
陰極２１と２２との間を高周波振動し、その間にアルゴ
ンガスに衝突して、多数のアルゴンイオンを生成する。

発生したアルゴンイオンは第２陰Ｆｉ２２に向けて加速
され、十分な運動エネルギーを得るに到る。この運動エ
ネルギーは、陽極２３と陰極２２との間の放電維持電圧
が、例えば１ｋＶのときは、１　ｋｅＶ程度の値となる
。第２陰極２２は円錐台形であって、この内部の空間は
高周波振動をする電子の折り返し点となっており、低エ
ネルギーの電子が多数存在する空間である。

この空間に入射したアルゴンイオンは電子と衝突し、再
結合してアルゴン原子に戻る。このイオンと電子の衝突
においては、電子の質量はアルゴンイオンに比べて無視
できる程に小さいので、アルゴンイオンの運動エネルギ
ーはほとんど損失なしにそのまま原子に受は継がれて高
速原子線８となって、高速原子線放出開口２５から放出
される。

ここで、直流バイアス電源２４を調整することによって
、陽極２３から第２陰極２２に飛来した電子を確実に陽
極２３に向けて追い返すための最適値に、第２陰極２２
の電位を設定することができる。

第２図は第１図示の第２陰極２２の断面図であって、４
１はこの陰極２２の内部の等電位面を示している。陰極
２２の形状を円錐台形としたので、等電位面４１は円錐
台形頂部の高速原子線放出開口２５付近で閉じていて、
電子の折り返しを確実にし、高速原子線８の発生効率を
高めるのに有効である。

本発明においては、複数のホローカソード２１ａを使用
してプラズマ密度を高めているので、大量のイオンが生
成されること、ならびに、陰極２２の内面が円錐台形を
しているために電子の折り返しが確実であって、高速原
子線の発生効率が高いうえに、高速原子線放出開口２５
が高い開口率を維持しているために、大量の高速原子線
の放出が可能となると共に、スパッタによる高速原子線
放出開口２５の消耗も少なく、高速原子線源としての寿
命が長い。

第３図は本発明の他の実施例であって、ここでは、ホロ
ーカソード２１ａと陽極２３との距離を調節するための
微動機構２６を陰極２１に取りつける。２７は部分２１
．２２および２４を収容する真空容器であり、この容器
２７内にはガス導入孔２８よりアルゴンガスな導入する
。微動機構２６は容器２７の外部に引き出されており、
それにより陰極２１を陽極２３に対して８動可能とする
。

高速原子線源が動作していて高速原子線８を放出してい
る最中に、微動装置２６を操作してホローカソード２１
ａと陽極２３との距離を変えると、放電維持電圧が変化
する。放電維持電圧が変わると、高速原子線８のエネル
ギーも変化する。

第４図は、グロー放電をしている放電管において、陽極
と陰極の距離を変えると放電維持電圧が変化する様子を
示したものである。そこで、本実施例において、高速原
子線のエネルギーの調節を行うには、放電電流が常に一
定になるように、第３図の電源３を調節しながら、微動
装置２６を操作して、陰極２１と陽極２３との距離を変
えて、放電維持電圧を変化させればよい。

一般に微動装置２６による距離の調整は高精度に行うこ
とができるから、高速原子線のエネルギー調整の精度も
改善されることになる。

［発明の効果コ 本発明によれば、複数のホローカソードを用いてプラズ
マ密度を高めるようにしたので、大量のイオンを生成で
きる。しかも、一方の陰極の内面を円錐台形となし、そ
の台形頂部に高速原子線放出用の開口をあけたので、そ
の陰極の円錐状内面宵 で電子が確実に原り返され、高速原子線の発生効率が高
く、しかも、その開口の開口率が高いので、大量の高速
原子線を放出できると共に、開口の消耗が少ないので、
長寿命の高速原子線源を提供できる。さらに加えて、複
数のホローカソードから成る陰極と陽極との距離を変え
ることで、高速原子線のエネルギーを調節できるように
したので、エネルギー調整の精度を高めることができる
。

このように、本発明によれば、大量の高速原子を効率よ
く長時間にわたって取り出すことのでき　　　　□る線
源が得られるので、材料の加工や分析の能率向上に非常
に有益である。また、高速原子線のエネルギーの微調節
ができるので、これら加工や分析の精度向上に有効であ
る。

したがって、本発明高速原子線は、高速のイオンビーム
と同様に、スパッタ蒸着による薄膜形成、スパッタエツ
チングによる微細パターン加工または二次イオン質量分
析による材料評価に有効に利用することができ、特に、
高速原子線は非荷電性であるために、金属、半導体ばか
りでなく、イオンビーム法が不得意とするプラスチック
ス、セラミックスなどの絶縁物材料を対象とする場合の
加工や分析にもきわめて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図は本発
明の一部品である円錐台形陰極の断面図、 第３図は本発明の他の実施例を示す構成図、第４図はグ
ロー放電の際の陽極と陰極との間隔と放電維持電圧の関
係を示す特性図、 第５図は従来の高速原子線源の説明図、第６図は低気圧
放電の電流−電圧特性図である。 １・・・円筒形陰極、 ２・・・ドーナッツ状陽極、 ３・・・直流高圧電源、 ４・・・ガス導入孔、 ５・・・アルゴンガス、 ６・・・プラズマ、 ７・・・高速原子線放出孔、 ８・・・高速原子線、 ２１・・・複数のホローカソードで構成された第１陰極
、 ２１ａ・・・ホローカソード、 ２２・・・円錐台形の第２陰極、 ２３・・・リング状陽極、 ２４・・・直流バイアス電源、 ２５・・・高速原子線放出開口、 ２６・・・微動装置、 ２７・・・真空容器、 ２８・・・ガス導入孔、 ４１・・・等電位面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）複数のホローカソードから成る第１陰極と、 該第１陰極に対向して配設された円錐台形の内面をもつ
   第２陰極と、 前記第１および第２陰極の中間に配設されたリング状陽
   極と、 前記第１および第２陰極に負電位を印加し、前記陽極に
   正電位を印加して前記陽極と前記第１および第２陰極と
   の間に放電を起こすための直流高圧電源と、 前記第２陰極を負の電位に保つための直流バイアス電源
   と を具えたことを特徴とする高速原子線源。 ２）複数のホローカソードから成る第１陰極と、 該第１陰極に対向して配設された円錐台形の内面をもつ
   第２陰極と、 前記第１および第２陰極の中間に配設されたリング状陽
   極と、 前記第１および第２陰極に負電位を印加し、前記陽極に
   正電位を印加して前記陽極と前記第１および第２陰極と
   の間に放電を起こすための直流高圧電源と、 前記第２陰極を負の電位に保つための直流バイアス電源
   と、 前記ホローカソードを前記陽極に対して移動可能となし
   、前記ホローカソードと前記陽極との距離を調節可能と
   する微動装置と を具えたことを特徴とする高速原子線源。