JPH01161699A

JPH01161699A - 高速原子線源

Info

Publication number: JPH01161699A
Application number: JP31873087A
Authority: JP
Inventors: Kazutoshi Nagai; 一敏長井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1987-12-18
Filing date: 1987-12-18
Publication date: 1989-06-26

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、効率の良いコンパクトな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０．０５Ｖ前後
の運動エネルギーを有している。これに比べて温かに大
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」という。

第３図は従来発表された高速原子線源の一例を示す説明
図であり、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０．５〜１０ｋｅＶのアル
ゴン原子を放射する高速原子線源の一例を示すものであ
る。第３図において、１は円筒形の陰極、２はドーナッ
ツ状の陽極、３は０．５〜１０ｋＶの直流高圧電源、４
はガス導入孔、５は模式的に示されたアルゴンガス、６
はプラズマ、７は高速原子線の放出孔、８は模式的に示
された高速原子線である。

次に上記構成の高速原子線源の動作について説明する。

直流高圧電源３以外の構成要素を真空容器（図示せず）
に入れ十分に排気した後、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。円筒形陰極１は
接地されている。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、これで陰極１・陽極２間にグロー放電が
起き、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。さらに、この放電において、円筒形陰極１の
底面から放出する電子は陽極２に向かって加速され、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
に向かって加速され始める。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。こうして発生したアルゴンイオ
ンは円筒形陰極１の底面に向かって加速され、十分な運
動エネルギーを得るに至る。この運動エネルギーは、陽
極２・陰極１間の放電維持電圧が例えば１ｋＶのときは
１ｋｅＶ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返し点であって、血エネ
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再結合してアルゴン原子
に戻る。また、アルゴンイオンの中には、円筒形陰極１
の底面近傍の空間に残留するアルゴン原子と接触して電
荷交換してアルゴン原子に戻るものもある。イオンと電
子の衝突において、電子の質量がアルゴンイオンに比べ
て無視できる程小さいために、アルゴンイオンの運動エ
ネルギーは殆ど損失せずにそのまま原子に受は継がれて
高速原子となる。また、アルゴンイオンとアルゴン原子
との電荷交換においても、大きなエネルギー損失は起き
ずに、アルゴンイオンの運動エネルギーはそのまま原子
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
ｋｅＶ程度である。この高速原子は円筒形陰極１の一方
の底面に穿たれた放出孔７から高速原子線８となって放
出する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

放出孔７から放出する高速原子線８の中には、高速原子
になり損なったイオンが混入している。

このようなイオンを残留イオンと呼ぶ、残留イオンを除
去して純粋な高速原子線８を得るために、従来の高速原
子線源では、放出孔７の後方にディフレクタを設置し、
これに高電圧を印加して残留イオンを除去しており、そ
のために装置が大型になり、かつ、ディフレクタ用の高
電圧電源が余分に必要になる。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、そ
の目的とするところは、低エネルギーから高エネルギー
に渡る任意のエネルギーを有する高速原子線を効率よく
放射するコンパクトな高速原子線源を提供するものであ
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による高速原子
線源は、筒の上底に設置された平板陽極と、負の高電圧
に保たれ中央に高速原子線放出用の小孔を有し筒の下底
に平板陽極と対向して設置された平板陰極と、平板陽極
と同電位又は平板陽極より高電位に保たれ中央に高速原
子線放出用の小孔を有し平板陰極に対向して設置された
残留イオン阻止電極と、筒の中心軸にほぼ平行に磁界を
印加する界磁手段とを設けるようにしたものである。

〔作用〕

本発明による高速原子ｖＡ源においては、陰極と残留イ
オン阻止電極との間の空間でイオンに対して阻止電界が
かかっており、ビームに混入している残留イオンは高速
原子線放出孔から外に放出されない。

〔実施例〕

まず、本発明の特徴および従来技術との差異について述
べる。従来の高速原子線源においては対向する２枚の陰
極の間にリング状の陽極を挿入しているのに対し、本発
明による高速原子線源においては１枚の陰極と１枚の陽
極を対向させているだけである。従って、本発明による
高速原子線源は構成が単純となる。また、従来の高速原
子線源においては残留イオンの除去にディフレクタが必
要であるが、本発明による高速原子線源においては放出
孔を有する陰極と残留イオン阻止電極との間にイオンに
対する阻止電界が存在するために、ディフレクタがなく
ても残留イオンが除去され、ディフレクタのない分だけ
装置が小形になる。さらにディフレクタ駆動用電源が不
要であるから、経済性も改善される。

第１図は本発明に係わる高速原子線源の一実施例を示す
説明図である。第１図において、１１は下底に設置され
た円盤平板の陰極、１２は上底に設置された円盤平板の
陽極、１３はセラミックス製又はガラス製の円筒、１４
はガス導入孔、１５は負の直流高圧電源、１６はビーム
放出用の小孔、１７は残留イオン阻止電極、１８は高速
原子線放出孔、１９は模式的に示された高速原子、２０
は模式的に示された高速原子線、２１は模式的に示され
た磁界である。

次に、このように構成された装置の動作について説明す
る。直流高圧電源１５以外の構成要素を真空容器に納め
て充分に排気する。陰極１１には直流高圧電源１５によ
って負の直流高電圧が印加されている。ガス導入孔１４
から例入ば酸素ガスをガラス製円筒１３の中に注入する
。酸素ガスは、ガラス製円筒１３の内部が外部より充分
に圧力が高くなるように注入する０例えば、ガラス製円
筒１３の内部の圧力を１０−’Ｔｏ　ｒ　ｒ、ガラス製
円筒１３の外部の圧力を１０−”Ｔｏ　ｒ　ｒとする。

これで直流高圧電源１５によって、ガラス製円筒１３の
内部の陽極１２と陰極１１の間にグロー放電が発生し、
大量の酸素イオンが生成される。イオンは陰極１１に向
かって加速され、陰極１１の付近に達したときには充分
な運動エネルギーを得るに至る。充分な運動エネルギー
を得たイオンは、陰極１１近辺に漂う酸素ガスに接触し
て電荷を失い、中性の酸素原子に戻る。イオンと酸素ガ
スとの接触が運動エネルギーまで変えてしまうような激
しいものではないために、イオンの運動エネルギーはそ
のまま中性原子に受は継がれ、高速の酸素原子が生成さ
れ、ビーム１９となってビーム放出孔１６から残留イオ
ン阻止電極１７に向かって放出される。残留イオン阻止
電極１７の電位は陽極１２と同電位に保たれている。ビ
ーム１９には高速原子のほかに、高速原子になりそこな
ったイオン（残留イオン）が混入している。陰極１１と
残留イオン阻止電極１７の間の空間には、イオンに対し
て阻止電界がかかっているから、ビーム１９に混入して
いる残留イオンは次第にエネルギーを失い、残留イオン
両正電極１７に達したときには速度がほぼゼロになって
、高速原子線放出孔１８から外に放出することができず
、ビーム１９中の高速原子のみが放出することになる。

これが高速原子線２０である。

真空容器の外側に設置した界磁手段としての磁石（図示
せず）によって、磁界−２１がガラス製円筒１３の中心
軸にほぼ平行に印加されており、ガラス製円筒１３のな
かでのグロー放電の発生効率を向上させ、高速原子２０
の放出量を増加させる効果を有する。また、この磁界２
１を印加すると、これを印加しないときよりも低いガス
圧で放電を開始させることができるため、真空容器内の
イオンの生成効率を大幅に向上せしめることができるも
のであり、その結果として多量の高速原子線を得ること
ができる。

なお、ガス導入孔１４から入れるガスをアルゴンにすれ
ば、アルゴンの高速原子線が放出する。

また、放出する高速原子線２０のＮＩＡ量は、ガラス製
円筒１３内のガス圧、磁界２１０強度によって調節する
ことができる。高速原子線２０の運動エネルギーは直流
高圧電源１５の電圧を調節することによって所定の値に
設定することができる。

第２図は本発明の第２の実施例を示す説明図であり、直
流電源２２により残留イオン阻止電極１７の電位を陽極
１２の電位より高く保った場合の例である。同図におい
て第１図と同一部分又は相当部分には同一符号が付しで
ある。この第２の実施例の動作は第１図の第１の実施例
と同様であるが、直流電源２２によって残留イオン阻止
電極１７の電位を陽極１２の電位より高く保つことによ
って、残留イオンの除去を完全に行なうことができる。

上記実施例では、陰極１１、陽極１２の形状が円盤状で
、筒１３が円筒形である場合について述べたが、陰極１
１、陽極１２の形状が正方形平板、筒１３の形状が断面
正方形など、円盤、円筒以外の形状であっても同様の効
果が得られる。

高速のイオンあるいは原子が固体に衝突すると、固体表
面でスパッタが起き、二次電子・二次イオン・光が放射
される。これらの現象が加工や分析に利用されることは
周知のとおりである。しかし、固体が絶縁物の場合には
、イオンの衝突で帯電し、後続イオンの入射が妨害され
て、加工・分析が進まないのに対して、電気的に中性な
原子ではそのような現象がなく、滞りなく加工・分析が
なされるという顕著な違いがある。その意味で、本発明
による小形の高速原子線源の効用は大きい、また、従来
の高速原子線源では、残留イオンを取り除いて純粋な高
速原子線を得るため、ディフレクタをつけていたが、本
発明による高速原子線源は、ディフレクタを必要としな
いため、小型化が一層進み、同時にディフレクタを駆動
する電源も不要となって経済性が改善される。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、平板陰極に対向して残留
イオン阻止電極を設置したことにより、残留イオンの外
部への放出の防止に従来必要であったディフレクタが不
要となるので、装置をコンパクトにできる効果がある。

また、セラミックス製又はガラス製の筒の中心軸にほぼ
平行に磁界を印加する界磁手段を設けたことにより、筒
のなかでのグロー放電の発生効率を向上させることがで
き、高速原子の放出量を増加させることができるので、
装置の効率が高くなるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す説明図、第２図は
本発明の第２の実施例を示す説明図、第３図は従来装置
を示す説明図である。１１・・・陰極、１２・・・陽極、１３・・・円筒、１
４・・・ガス導入孔、１５・・・直流高圧電源、１６・
・・小孔、１７・・・残留イオン阻止電極、１８・・・
高速原子線放出孔、１９・・・高速原子、２０・・・高
速原子線、２１・・・磁界。

Claims

【特許請求の範囲】

筒の上底に設置された平板陽極と、負の高電圧に保たれ
中央に高速原子線放出用の小孔を有し前記筒の下底に前
記平板陽極と対向して設置された平板陰極と、前記平板
陽極と同電位又は前記平板陽極より高電位に保たれ中央
に高速原子線放出用の小孔を有し前記平板陰極に対向し
て設置された残留イオン阻止電極と、前記筒の中心軸に
ほぼ平行に磁界を印加する界磁手段とを備えたことを特
徴とする高速原子線源。