JPS637423B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、荷電粒子源、特に電子―イオン源に
関する。

本発明は、電子ビーム溶接、イオンビーム単体
及び荷電粒子加速器に使用できる。

公知のように、電子―イオン源は、軸方向に順
に配置された孔を持つ引出し電極、放射孔を持つ
エミツタ陰極、一様な磁界を作る装置を持つ中空
円筒陽極及びエミツタ陰極に等電位に
（galvanically）結合する磁気的に軟い金属の中
空円筒陰極から構成している。中空円筒陰極の端
面、エミツタ陰極の端面及び中空円筒陽極の内部
表面は、ペニング放電を作る放電室を形成してい
る。（例えば、ソ連発明者証第456322号、クラス
H₀₁J³／₀₄）このイオン源の中空陰極は電気鋼の
様に磁気的に軟い材料である。電気鋼の選択は、
放電室の所定の磁界を作る基本的条件になる優れ
た導磁率によつている。

軸に沿つて放電粒子を著しい密度にする放電は
基本的に中空陰極効果を持つ反射放電である。光
電子放出は、中空陰極の内面放出の基本型であ
る。しかしながら、陰極材料例えば電気鋼は、低
い光電子放出係数を持つているのでプラズマ中に
鋼から自由電子を引き出すために多くのパワーを
必要とする。

例えば、作動ガスとして空気を用いると、反射
放電々圧は380から400Vである。電子採取効率は
約0.00125A／Ｗのエネルギー効率において35か
ら40％である。電子採取効率は、式α＝Ｉ／Irから 導かれる。ここでαは採取効率であり、Ｉはビー
ム電流、Irは放電々流である。このエネルギー効
率は、式Ｈ＝Ｉ／Prから導かれる。ここでＨはエネ ルギー効率であり、Ｉはビーム電流、Prはビー
ム電流を作るのに必要な入力電力である。

放出材料として電気鋼を用いたのでは電子―イ
オン源を最高エネルギー効率にすることができな
い。

本発明の目的は、電子―イオン源のエネルギー
効率を向上させることである。

上記目的は、次の電子―イオン源の提供で達せ
られる。軸方向に順に配置された、孔を持つ引出
し電極、放出チヤンネルを持つエミツタ陰極、所
定の磁界を作る装置を持つ中空円筒陽極、及びエ
ミツタ陰極と等電位に結合する磁気的に軟い金属
の中空円筒陰極、該中空円筒陰極の端面、エミツ
タ陰極端面及びペニング放電が作られる放電室を
形成する中空円筒陽極の内部表面から成り、中空
円筒陰極の端面とエミツタ陰極の端面とをそれぞ
れ中空円筒陽極内に突出させて対向配置させ、中
空円筒陽極と中空円筒陰極にはそれぞれ冷却溝を
設けるとともに、中空円筒陰極の内部空洞は、中
空円筒陰極を作つている磁気的に軟い材料より大
きな光電子放出係数の材料で作るエミツタ素子を
適応させるように構成する。

ここで、磁気的に軟い金属とは、強磁性材料が
急勾配で立ち上がる主磁化曲線と比較的小さいヒ
ステリシスループ面積を有することを意味するも
ので、電気鋼、パーマロイ型の鉄ニツケル合金等
が含まれる。また、光電子放出係数の値は、真空
又はガス中に置かれた材料の表面から１つの光量
子の作用により離脱する電子の量に数値的に等し
い。

該中空円筒陰極の製造を便利にするため、エミ
ツタ素子を中空円筒陰極の内側にブシユとして配
置し、これによつてブシユの外部表面を中空円筒
陰極の内部空洞の表面に直接接触させる。

より良好な冷却のため、エミツタ素子を中空円
筒陰極の内部空洞の表面に金属層として設けるこ
とが望しい。

上記の設計は電子―イオン源のエネルギー効率
を増加する理由を説明している。

本発明の目的と効果を図面に基ずく実施例の詳
細な説明でさらに明らかにする。

図面に示すように、本発明による電子―イオン
源は室１（第１図）を有し、この室は軸方向に順
に配置された、孔３を持つ引出し電極２、放出チ
ヤンネル５を持つエミツタ陰極４、中空円筒陽極
６及び内部空洞８を有する中空円筒陰極７を備え
ている。

環状磁石９が陽極６中に設けられ、この磁石９
は所定の磁界を作るのに用いられる。

結合ピン１０を通じて中空円筒陰極７はエミツ
タ陰極４に等電位に結合している。中空円筒陰極
７は電気鋼のような磁気的に軟い金属で作つてい
る。

陰極７の端面１１、エミツタ陰極４の端面１２
及び陽極６の内部表面１３はペニング放電を作る
放電室１４を作つている。

中空円筒陰極の内部空洞８は中空円筒陰極７を
作つている電気鋼のような磁気的に軟い材料より
光電子放出係数が大きな材料のエミツタ素子を備
えている。

図面において、エミツタ素子は、空洞８の内部
表面に設けられたブシユ１５でありブシユ１５の
外部表面は空洞８の内部表面に直接接触してい
る。ブシユ１５はアルミニウムで作られ、あらか
じめ陰極７の空洞８中にプレスばめされている。

ブシユはマグネシウムからも作れる。この場合
にブシユと空洞８の表面は噛合し、ブシユを空洞
８中にねじ込むことができる。これは改良の一つ
で、ブシユを運転中に取換えるのに都合がよい。

一方、噛合ブシユと円筒陰極との間の温度抵抗
を増すことになる。

本発明による電子―イオン源は、さらに空気の
ような作動ガスを放電室１４に供給する装置を含
んでいる。

空気供給装置は、絶縁物１７を持つハウジング
１６を備え、ハウジング１６は、ニードル弁１８
を有し、該弁１８のスクリユー１９を室１の外側
に配置している。

動作中、放電室１４の電極は熱を放散するが、
最大の熱はケース２１で覆われて冷却溝２０を備
えている中空陰極７で放散される。陽極６は陽極
６と環状磁石９を冷すために溝２２を備えてい
る。

陰極７と４は、絶縁物２３とシール２４で陽極
６から絶縁される。支えフランジ２５は、陰極４
と基盤２８側にゴムシール２７を持つ絶縁物２６
の上に載置される。

引出し電極２の孔３に対するエミツタ陰極４の
放出チヤンネル５の正確な配置は、絶縁物２６を
囲む調整ねじ２９と支持環３０で設定する。

引出し電極２と電磁レンズ３１は個々の噛合装
置３３，３４でブシユ３２中に据え付ける。

基盤２８は、補助基盤３５を有している。基盤
２８は孔３６を持つている。基盤３５は孔３７と
３８とを持つている。孔３６，３７，３８は空気
のような作動ガスを取り出すのに用いられる。

第２図の電子―イオン源は、第１図に類似であ
る。エミツタ素子はマグネシウムになつており、
中空円筒陰極７の内部空洞８の表面の金属層３９
として設けられていることが第１図のものと異な
つている。マグネシウムの光電子放出係数は、中
空円筒陰極７を作つている電気鋼より大きい。

次に動作について説明する。

ニードル弁１８は放電室１４（第１図）が約
10^-2mmHg（１×10^-2Torr）の圧力を保つように働
く。

ペニング放電が陰極４と７及び他と絶縁物２３
で絶縁されている陽極６との間に電圧を与えるこ
とで端面１１と１２との間に生じる。

放電電流が増加し陰極７の空洞８のアパーチヤ
ー４０で陰極電位降下面積の広がりがアパーチヤ
ー４０の半径より小さくなると、ペニング放電の
プラズマが例えば放電軸に沿つた荷電粒子の高密
度化のような中空陰極効果として知られている状
態を生じて空洞８に到達する。

ペニング放電の間、陰極７と４の表面からの基
本的電子放出は、イオン電子放出であり、改良さ
れた中空陰極効果による内部空洞８中の基本的電
子放出は光電子放出である。

中空陰極効果が作られるペニング放電電圧と電
流量とを減少させるため、放電室１４を越えて磁
界を拡げるのと同様に陰極４と７の端面１１と１
２とを比較的高いイオン―電子放出効率と低い光
電子放出効率とを有している電気鋼で作る。

上述のように中空陰極７の内部空洞８の表面か
らの基本的電子放出は、光電子放出である。これ
は空洞８が中空陰極７が作られている電気鋼より
大きな光電子放出係数を持つているアルミニウム
で作られたブシユ１５を備えているためである。
これは放電電圧を260Vに減らすことを可能にし
ている。この放電電圧の減少は放出チヤンネル５
の壁にある陰極電位降下域の広がりを減少させて
放出面積を増加させた結果として説明できる。

これは、云い換えると陰極に閉じられた反射放
電の部分から、電子の採取を強めたものとして説
明できる。

0.007から0.010Aの比較的低い反射放電電流と
改良された中空陰極効果で放出チヤンネル５の近
傍の陰極電位降下域の広がりはチヤンネル５の半
径より小さい。結果は放出チヤンネル５の範囲に
おける陰極電位降下層の破断となる。それ故、プ
ラズマは放出チヤンネル５に達し、引出し電極２
への正電圧の供給は、0.004A/Wのエネルギー効
率を持つた電子の採取に導く。イオンの採取は引
出し電極２への負電圧供給の結果として行われ
る。

広がり引き出された電子は作動片上に電磁レン
ズ３１によつて収束される。

第２図の電子イオン源の操作は第１図のものと
同じである。

引出し電極２に与える電圧の極性を変えること
によつて電子又はイオンの採取のために本発明の
電子―イオン源を使用することができる。本発明
の電子―イオン源のエネルギー効率は全べての従
来の電源より高いものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による電子―イオン源を断面
にした立面図である。第２図は、本発明の実施例
に用いる中空円筒陰極の部分立面図である。 図において ２：引出し電極、３：孔、４：エ
ミツタ陰極、５：放出チヤンネル、６：中空円筒
陽極、７：中空円筒陰極、８：空洞、１１：端
面、１２：端面、１３：内部表面、１４：放電
室、１５：ブシユ、３９：金属層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 軸方向に順に配置された、孔３を持つ引出し
   電極２、放出チヤンネル５を持つエミツタ陰極
   ４、所定の磁界を作る装置を持つ中空円筒陽極６
   及びエミツタ陰極４と等電位に結合する磁気的に
   軟い金属の中空円筒陰極７、該中空円筒陰極７の
   端面１１、エミツタ陰極４の端面１２及びペニン
   グ放電が作られる放電室１４を形成する中空円筒
   陽極６の内部表面１３から成り、該中空円筒陰極
   ７の端面１２と該エミツタ陰極４の端面１２とを
   それぞれ該中空円筒陽極６内に空出させて対向配
   置させ、該中空円筒陽極６と該中空円筒陰極７に
   はそれぞれ冷却溝２２，２０を設けるとともに、
   中空円筒陰極７の内部空筒８が中空円筒陰極７を
   作つている磁気的に軟い金属より大きな光電子放
   出係数の金属エミツタ素子を有することを特徴と
   する電子―イオン源。 ２ エミツタ素子が中空円筒陰極７の内部空洞８
   に配置されたブシユ１５であつてブシユ１５の外
   表面が空洞８の表面に直接接触していることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の電子―イオ
   ン源。 ３ エミツタ素子が中空円筒陰極７の内部空洞８
   の表面に設けられた金属層３９であることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の電子―イオン
   源。