JPH0159694B2 - - Google Patents
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- JPH0159694B2 JPH0159694B2 JP57038157A JP3815782A JPH0159694B2 JP H0159694 B2 JPH0159694 B2 JP H0159694B2 JP 57038157 A JP57038157 A JP 57038157A JP 3815782 A JP3815782 A JP 3815782A JP H0159694 B2 JPH0159694 B2 JP H0159694B2
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J27/00—Ion beam tubes
- H01J27/02—Ion sources; Ion guns
- H01J27/08—Ion sources; Ion guns using arc discharge
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の属する技術分野〕
本発明はイオン発生装置に係り、特に低圧気中
放電の一種であるクロストフイールド放電を用い
たイオン発生装置に関する。 〔従来技術とその問題点〕 一般に、半導体や金属などの表面加工、核物理
学、表面科学などで必要とされるイオン源の特性
としては、出力電流が大きく、ビームのイオンの
運動エネルギーのばらつきが少なく、操作性が良
く信頼度が高いことが要求される。この様に、出
力電流が大きく、エネルギー分布のばらつきが少
ないイオン源として、熱陰極から電子を補給して
プラズマを生成し、そのイオンを取出す形式のも
のが実用に供されており、代表的なものとしては
デユオプラズマトロンがある。 しかしながら、かかる形式のイオン源は破壊さ
れ易く、ひんぱんに取替える必要がある熱陰極を
備えているので、イオン源の操作性が悪く信頼度
が低いという欠点を有する。 これに対して、プラズマをマイクロ波で生成す
るものも知られており、これは熱陰極を必要とし
ないが、大電力のマイクロ波を供給するための装
置を必要とし、装置が大規模になるという問題点
がある。 これらの欠点を克服し、出力電流が大きく操作
性が良く信頼度の高いイオン源としては、現在代
表的なものとして低圧気中放電の一種の冷陰極
PIG放電を利用したPIGイオン源が知られており
実用に供されている。 第１図はかかる周知のPIGイオン源の構成を示
す縦断面図であり、同図中１は円筒状中空部２を
有する陽極、３，４は２枚１組でなる陰極、５は
前記陽極１及び陰極３，４を収容する真空容器、
６，７は前記陽極１、陰極３，４に対する給電経
路を形成する真空容器壁貫通部、８は磁場発生装
置、９は前記陰極３に設けた貫通孔である。 第１図からも明らかな如く、陽極１の２つの開
口部のおのおのに離間かつ近接して開口を覆う形
状に２枚１組の陰極３，４が設けられ、前記陽極
１、陰極３，４は真空容器５に収容される。また
陽極１と陰極３，４の間には、図示しない電源か
ら図示しない給電経路を経て、更にこの給電経路
の一部をなす気密な真空容器壁貫通部６，７を経
て高電圧が印加される。なお、２枚の陰極３，４
は真空容器５の内部で短絡されている。 一方、磁場発生装置８は、永久磁石でも、超電
導または常電導の電磁石でもよいが、この磁場発
生装置８の作る磁場は、陽極１の中空部２の位置
で円筒状中空部２の軸に平行である。また、陰極
３の陽極の中空部２の軸心に一致する軸心を有す
る貫通孔９がある。 更に、真空容器５は図示しない真空装置に接続
されるが、前記真空装置はその排気装置により予
め真空容器５の内部を所要の真空度に排気し、イ
オン源作動時にはこの真空容器５の内部に所要の
気体等を供給する。 さて、イオン源の作動条件は、用途によつて適
宜に選べばよい。例えば、真空容器５内の作動気
体密度を１×1017ｍ-3、陽極１の中空部２の半径
を7.5mm、陽陰極間電圧を5kV、磁場を0.15Tとす
る。そして、発生したイオンは開口９から取出さ
れる。 かかる構成を有する従来のPIGイオン源の欠点
は、イオンビームのエネルギ分布のばらつきが大
きいことであつた。すなわち、 (1) J.C.Helmer and R.L.Jensen：Electrical
Characteristics of ａ Penning Discharge：
Proc.IRE.49（′61）．1920 (2) W.Knauer：Mechanism of the Penning
Discharge at Low Pressures：J.Appl.Phys.
33（′62）．2093 に示される様に取出されたイオンビームの運動エ
ネルギーの分布幅が広く、ビームの集束や平行度
を良くするためには、ビームラインの構成が非常
に困難であるという欠点があつた。 〔発明の目的〕 本発明の目的は、冷陰極放電を利用して、ガス
効率が良く、しかも取出されたイオンビームの運
動エネルギーの分布の幅を狭くできるイオン発生
装置の構成を提供するにある。 〔発明の概要〕 陽極の長、短の二つとし、短い陽極に最高電位
を与え、陽極の中空部に軸方向磁場を印加し、陰
極のイオン取り出しの貫通孔のあるものを最低電
位とし、各電極に包囲された空間に気体を導入す
ることにより、目的を達成した。 〔発明の効果〕 放電で形成される電子群は短い陽極内ではその
中空部全体にわたつて分布し、長い陽極内では比
較的電位の低い軸の近傍だけに分布する。導入さ
れた気体分布は放電で形成される電子群の電子に
よりイオン化されるが、生成されるイオンの大部
分が長い陽極の中空部で生成されるようになされ
ているから、イオンビームのエネルギーの分布の
幅を狭くできる。また冷陰極放電を利用したガス
効率のよいイオン源であることは従来のPIGイオ
ン源と同様である。 〔発明の実施例〕 第２図は本発明の一実施例を示すイオン発生装
置要部縦断面図である。なお各図面において共通
する部分には同一番号を符す。２１は貫通した中
空部２３を有する短い第一の陽極、２２は貫通し
た中空部２４を有し該第一の陽極と同軸に隣接し
て配設された長い第二の陽極、１０は該第一の陽
極の開口を覆う形状をもつ第一の陰極、１１は第
二の陽極２２の開口を覆う形状を持ち第一の陰極
１０と二つの陽極２１，２２を挾んで相対して配
設され二つの陽極の軸心と同軸に穿設された貫通
孔９を有する第二の陰極である。１２は絶縁物製
の支持体で陽極１及び第一の陰極１０を通電路を
兼ねる図示の支柱を介して支持するとともに電気
的接続部を形成し、図示されない電源出力からの
図示されない導電線は該電気的接続部で各電極に
接続され、第一の陽極２１には最も高い電位が第
二の陽極２２は第一の陽極よりも低く二つの陰極
よりも高い電位が、第一の陰極１０には二つの陽
極の電位より低い正の電位が与えられる。第二の
陰極１１は真空容器５に固着され接地される。１
３は支持で支持体１２を支持し、図示されない構
造物に支持される。１４は管で一端は図示されな
い作動気体源に接続され、他端は支柱１３に固着
され、管１４、支柱１３に穿設された穴１５は第
一の陰極の背面への気体供給径路を形成し、供給
された気体は各電極の間隙を通つて、各電極によ
つて包囲された空間に供給される。８は磁場発生
装置で本実施例では永久磁石を使用しており、二
つの陽極２１，２２の中空部２３，２４にその軸
心と実質的に平行な磁場を印加する。 〔発明の効果〕 かくして構成された実施例を参照して本発明の
効果を述べると、第３図は本発明の作用及び効果
を示すイオン発生装置動作説明図である。同図ａ
に示される如く第二の陰極１１は接地されその電
位Vk2は０である。第一の陰極１０には電源１７
から電位Vk1が、第二の陽極２２には電源１７，
１８から電位Va2が与えられ、第一の陽極２１に
は電源１６，１７，１８から電位Va1が与えら
れ、 Va1＞Va2＞Vk1＞Vk2＝０ の関係が成立している。同図に示される如く、二
つの陽極２１，２２の中空部２には電場と磁場が
直交する一種のクロストフイールド放電が発生自
続し高エネルギ高密度の電子群１９が捕獲されて
いる。該電子群１９は第一の陰極１０にシースを
介して接し、電位Va1の第一の陽極の内表面にシ
ースを介して接している。電位Va2の第二の陽極
の内部では、電子群１９は第二の陽極の中空部２
４の軸を軸とする半径Roの円筒の内部にだけ存
在し、二つの陽極の半径をRaとおくと、Ra＞Ro
である。同図の断面Ｆ―Ｆにおける空間電位VF
及び断面Ｔ―Ｔにおける空間電位VTを、陽極の
中空部の軸からの距離ｒの関数として第３図ｂに
示す。ここで陰極降下は小さいので無視してい
る。０≦ｒ≦RoでVF＝VT，Ro＜ｒ＜RaでVT＞
VFである。ｒ＝Ro、すなわち第二の陽極の中空
部に於ける電子群１９の境界面に於て、空間電位
はVoであり、この部分では電子群１９は電位が
Vk1を超え、Vo以下である空間に存在する。一方
第一の陽極の中空部では、電子群１９は電位が
Vk1を越えVa1未満である空間に存在する。 本発明のイオン発生装置では、上述のクロスト
フイールド放電の電子群が気体分子をイオン化す
ることによりイオンが発生する。気体は前記気体
供給径路を通つて陽極の中空部に供給され、そこ
に存在する電子群１９の電子によつてイオン化さ
れる。生成されたイオンの一部は電子群１９を脱
離して第二の陰極１１に向つて加速され、生成さ
れたイオンの残りは電子群１９を脱離して第一の
陰極１０に衝突して電荷を失い、中性化されたイ
オンであつた粒子は種々の過程を径て大部分が第
一の陰極１０を脱離して陽極の中空部に入射す
る。陽極の中空部に入射して電子群１９の電子に
よりイオン化されなかつた気体分子等の大部分は
陽極の内面に衝突し、反射あるいは吸着・脱離に
より再び陽極の中空部の内部を運動する。以上説
明した諸過程により、陽極の中空部に供給された
作動気体分子は効率よくイオンとなつて第二の陰
極１１に向つて加速され、その一部が貫通孔９を
径由して矢印で示すイオンビーム２０を形成し、
その残りは第二の陰極１１に衝突して再び陽極の
中空部へ入射する。 この結果本発明においては作動気体の分子は非
常に効率よくイオンビームのイオンになるから、
冷陰極放電を利用したがス効率のよいイオン源ガ
実現する。 第３図ｃはイオンビーム２０を構成するイオン
のうち、運動エネルギがｕ以上ｕ＋du未満のイ
オンの単位時間に取出される数がfduであると定
義したエネルギ分布函数ｆと運動エネルギｕの関
係を示す。ここでｆとｕは相対値で示してある。
イオンはほとんど一価であるから、その電価をｅ
とすると、第二の陽極の内部で作られたイオンの
分布函数はfF、第一の陽極の内部で作られたイオ
ンの分布函数はfTである。第二の陽極２２の長さ
を第一の陽極２１の長さより非常に長くすること
によつてイオンビーム２０のエネルギ分布函数を
実際上fFに一致させることができ、運動エネルギ
ーの分布の幅を狭くできるイオン発生装置が実現
した。
放電の一種であるクロストフイールド放電を用い
たイオン発生装置に関する。 〔従来技術とその問題点〕 一般に、半導体や金属などの表面加工、核物理
学、表面科学などで必要とされるイオン源の特性
としては、出力電流が大きく、ビームのイオンの
運動エネルギーのばらつきが少なく、操作性が良
く信頼度が高いことが要求される。この様に、出
力電流が大きく、エネルギー分布のばらつきが少
ないイオン源として、熱陰極から電子を補給して
プラズマを生成し、そのイオンを取出す形式のも
のが実用に供されており、代表的なものとしては
デユオプラズマトロンがある。 しかしながら、かかる形式のイオン源は破壊さ
れ易く、ひんぱんに取替える必要がある熱陰極を
備えているので、イオン源の操作性が悪く信頼度
が低いという欠点を有する。 これに対して、プラズマをマイクロ波で生成す
るものも知られており、これは熱陰極を必要とし
ないが、大電力のマイクロ波を供給するための装
置を必要とし、装置が大規模になるという問題点
がある。 これらの欠点を克服し、出力電流が大きく操作
性が良く信頼度の高いイオン源としては、現在代
表的なものとして低圧気中放電の一種の冷陰極
PIG放電を利用したPIGイオン源が知られており
実用に供されている。 第１図はかかる周知のPIGイオン源の構成を示
す縦断面図であり、同図中１は円筒状中空部２を
有する陽極、３，４は２枚１組でなる陰極、５は
前記陽極１及び陰極３，４を収容する真空容器、
６，７は前記陽極１、陰極３，４に対する給電経
路を形成する真空容器壁貫通部、８は磁場発生装
置、９は前記陰極３に設けた貫通孔である。 第１図からも明らかな如く、陽極１の２つの開
口部のおのおのに離間かつ近接して開口を覆う形
状に２枚１組の陰極３，４が設けられ、前記陽極
１、陰極３，４は真空容器５に収容される。また
陽極１と陰極３，４の間には、図示しない電源か
ら図示しない給電経路を経て、更にこの給電経路
の一部をなす気密な真空容器壁貫通部６，７を経
て高電圧が印加される。なお、２枚の陰極３，４
は真空容器５の内部で短絡されている。 一方、磁場発生装置８は、永久磁石でも、超電
導または常電導の電磁石でもよいが、この磁場発
生装置８の作る磁場は、陽極１の中空部２の位置
で円筒状中空部２の軸に平行である。また、陰極
３の陽極の中空部２の軸心に一致する軸心を有す
る貫通孔９がある。 更に、真空容器５は図示しない真空装置に接続
されるが、前記真空装置はその排気装置により予
め真空容器５の内部を所要の真空度に排気し、イ
オン源作動時にはこの真空容器５の内部に所要の
気体等を供給する。 さて、イオン源の作動条件は、用途によつて適
宜に選べばよい。例えば、真空容器５内の作動気
体密度を１×1017ｍ-3、陽極１の中空部２の半径
を7.5mm、陽陰極間電圧を5kV、磁場を0.15Tとす
る。そして、発生したイオンは開口９から取出さ
れる。 かかる構成を有する従来のPIGイオン源の欠点
は、イオンビームのエネルギ分布のばらつきが大
きいことであつた。すなわち、 (1) J.C.Helmer and R.L.Jensen：Electrical
Characteristics of ａ Penning Discharge：
Proc.IRE.49（′61）．1920 (2) W.Knauer：Mechanism of the Penning
Discharge at Low Pressures：J.Appl.Phys.
33（′62）．2093 に示される様に取出されたイオンビームの運動エ
ネルギーの分布幅が広く、ビームの集束や平行度
を良くするためには、ビームラインの構成が非常
に困難であるという欠点があつた。 〔発明の目的〕 本発明の目的は、冷陰極放電を利用して、ガス
効率が良く、しかも取出されたイオンビームの運
動エネルギーの分布の幅を狭くできるイオン発生
装置の構成を提供するにある。 〔発明の概要〕 陽極の長、短の二つとし、短い陽極に最高電位
を与え、陽極の中空部に軸方向磁場を印加し、陰
極のイオン取り出しの貫通孔のあるものを最低電
位とし、各電極に包囲された空間に気体を導入す
ることにより、目的を達成した。 〔発明の効果〕 放電で形成される電子群は短い陽極内ではその
中空部全体にわたつて分布し、長い陽極内では比
較的電位の低い軸の近傍だけに分布する。導入さ
れた気体分布は放電で形成される電子群の電子に
よりイオン化されるが、生成されるイオンの大部
分が長い陽極の中空部で生成されるようになされ
ているから、イオンビームのエネルギーの分布の
幅を狭くできる。また冷陰極放電を利用したガス
効率のよいイオン源であることは従来のPIGイオ
ン源と同様である。 〔発明の実施例〕 第２図は本発明の一実施例を示すイオン発生装
置要部縦断面図である。なお各図面において共通
する部分には同一番号を符す。２１は貫通した中
空部２３を有する短い第一の陽極、２２は貫通し
た中空部２４を有し該第一の陽極と同軸に隣接し
て配設された長い第二の陽極、１０は該第一の陽
極の開口を覆う形状をもつ第一の陰極、１１は第
二の陽極２２の開口を覆う形状を持ち第一の陰極
１０と二つの陽極２１，２２を挾んで相対して配
設され二つの陽極の軸心と同軸に穿設された貫通
孔９を有する第二の陰極である。１２は絶縁物製
の支持体で陽極１及び第一の陰極１０を通電路を
兼ねる図示の支柱を介して支持するとともに電気
的接続部を形成し、図示されない電源出力からの
図示されない導電線は該電気的接続部で各電極に
接続され、第一の陽極２１には最も高い電位が第
二の陽極２２は第一の陽極よりも低く二つの陰極
よりも高い電位が、第一の陰極１０には二つの陽
極の電位より低い正の電位が与えられる。第二の
陰極１１は真空容器５に固着され接地される。１
３は支持で支持体１２を支持し、図示されない構
造物に支持される。１４は管で一端は図示されな
い作動気体源に接続され、他端は支柱１３に固着
され、管１４、支柱１３に穿設された穴１５は第
一の陰極の背面への気体供給径路を形成し、供給
された気体は各電極の間隙を通つて、各電極によ
つて包囲された空間に供給される。８は磁場発生
装置で本実施例では永久磁石を使用しており、二
つの陽極２１，２２の中空部２３，２４にその軸
心と実質的に平行な磁場を印加する。 〔発明の効果〕 かくして構成された実施例を参照して本発明の
効果を述べると、第３図は本発明の作用及び効果
を示すイオン発生装置動作説明図である。同図ａ
に示される如く第二の陰極１１は接地されその電
位Vk2は０である。第一の陰極１０には電源１７
から電位Vk1が、第二の陽極２２には電源１７，
１８から電位Va2が与えられ、第一の陽極２１に
は電源１６，１７，１８から電位Va1が与えら
れ、 Va1＞Va2＞Vk1＞Vk2＝０ の関係が成立している。同図に示される如く、二
つの陽極２１，２２の中空部２には電場と磁場が
直交する一種のクロストフイールド放電が発生自
続し高エネルギ高密度の電子群１９が捕獲されて
いる。該電子群１９は第一の陰極１０にシースを
介して接し、電位Va1の第一の陽極の内表面にシ
ースを介して接している。電位Va2の第二の陽極
の内部では、電子群１９は第二の陽極の中空部２
４の軸を軸とする半径Roの円筒の内部にだけ存
在し、二つの陽極の半径をRaとおくと、Ra＞Ro
である。同図の断面Ｆ―Ｆにおける空間電位VF
及び断面Ｔ―Ｔにおける空間電位VTを、陽極の
中空部の軸からの距離ｒの関数として第３図ｂに
示す。ここで陰極降下は小さいので無視してい
る。０≦ｒ≦RoでVF＝VT，Ro＜ｒ＜RaでVT＞
VFである。ｒ＝Ro、すなわち第二の陽極の中空
部に於ける電子群１９の境界面に於て、空間電位
はVoであり、この部分では電子群１９は電位が
Vk1を超え、Vo以下である空間に存在する。一方
第一の陽極の中空部では、電子群１９は電位が
Vk1を越えVa1未満である空間に存在する。 本発明のイオン発生装置では、上述のクロスト
フイールド放電の電子群が気体分子をイオン化す
ることによりイオンが発生する。気体は前記気体
供給径路を通つて陽極の中空部に供給され、そこ
に存在する電子群１９の電子によつてイオン化さ
れる。生成されたイオンの一部は電子群１９を脱
離して第二の陰極１１に向つて加速され、生成さ
れたイオンの残りは電子群１９を脱離して第一の
陰極１０に衝突して電荷を失い、中性化されたイ
オンであつた粒子は種々の過程を径て大部分が第
一の陰極１０を脱離して陽極の中空部に入射す
る。陽極の中空部に入射して電子群１９の電子に
よりイオン化されなかつた気体分子等の大部分は
陽極の内面に衝突し、反射あるいは吸着・脱離に
より再び陽極の中空部の内部を運動する。以上説
明した諸過程により、陽極の中空部に供給された
作動気体分子は効率よくイオンとなつて第二の陰
極１１に向つて加速され、その一部が貫通孔９を
径由して矢印で示すイオンビーム２０を形成し、
その残りは第二の陰極１１に衝突して再び陽極の
中空部へ入射する。 この結果本発明においては作動気体の分子は非
常に効率よくイオンビームのイオンになるから、
冷陰極放電を利用したがス効率のよいイオン源ガ
実現する。 第３図ｃはイオンビーム２０を構成するイオン
のうち、運動エネルギがｕ以上ｕ＋du未満のイ
オンの単位時間に取出される数がfduであると定
義したエネルギ分布函数ｆと運動エネルギｕの関
係を示す。ここでｆとｕは相対値で示してある。
イオンはほとんど一価であるから、その電価をｅ
とすると、第二の陽極の内部で作られたイオンの
分布函数はfF、第一の陽極の内部で作られたイオ
ンの分布函数はfTである。第二の陽極２２の長さ
を第一の陽極２１の長さより非常に長くすること
によつてイオンビーム２０のエネルギ分布函数を
実際上fFに一致させることができ、運動エネルギ
ーの分布の幅を狭くできるイオン発生装置が実現
した。
第１図は縦来のPIGイオン源の構成を示す縦断
面図、第２図は本発明の一実施例を示すイオン発
生装置要部縦断面図、第３図は本発明の作用及び
効果を示すイオン発生装置動作説明図である。 １…陽極、２，２３，２４…陽極の中空部、
３，４…陰極、８…磁場発生装置、９…貫通孔、
１０…第一の陰極、１１…第二の陰極、１３…支
柱、１４…管、１５…支柱１３の穴、１６，１
７，１８…電源、１９…電子群、２０…イオンビ
ーム、２１…第一の陽極、２２…第二の陽極。
面図、第２図は本発明の一実施例を示すイオン発
生装置要部縦断面図、第３図は本発明の作用及び
効果を示すイオン発生装置動作説明図である。 １…陽極、２，２３，２４…陽極の中空部、
３，４…陰極、８…磁場発生装置、９…貫通孔、
１０…第一の陰極、１１…第二の陰極、１３…支
柱、１４…管、１５…支柱１３の穴、１６，１
７，１８…電源、１９…電子群、２０…イオンビ
ーム、２１…第一の陽極、２２…第二の陽極。
Claims (1)
- １ 貫通した中空部を有し同軸に隣接して配設さ
れた長さの異なる二つの陽極と、この二つの陽極
を挾んで相対して配設され陽極の開口を覆う形状
をもつ第一及び第二の陰極と、この第二の陰極に
陽極の中空部の軸心と同軸に穿設された貫通孔
と、前記各電極に長さの短い陽極、長い陽極、第
一陰極、第二陰極の順に高い電位を与える手段
と、前記二つの陽極の中空部にその軸心と実質的
に平行な磁場を与える手段と、気体を前記各電極
によつて包囲された空間に供給する手段とを具備
することを特徴とするイオン発生装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57038157A JPS58157037A (ja) | 1982-03-12 | 1982-03-12 | イオン発生装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57038157A JPS58157037A (ja) | 1982-03-12 | 1982-03-12 | イオン発生装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS58157037A JPS58157037A (ja) | 1983-09-19 |
| JPH0159694B2 true JPH0159694B2 (ja) | 1989-12-19 |
Family
ID=12517569
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57038157A Granted JPS58157037A (ja) | 1982-03-12 | 1982-03-12 | イオン発生装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS58157037A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103532020A (zh) * | 2013-10-15 | 2014-01-22 | 南京华科皓纳电气科技有限责任公司 | 一种负氧离子发生装置 |
-
1982
- 1982-03-12 JP JP57038157A patent/JPS58157037A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS58157037A (ja) | 1983-09-19 |
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