JPH02265150A

JPH02265150A - 浦本式シートプラズマイオン源、電子源

Info

Publication number: JPH02265150A
Application number: JP1085579A
Authority: JP
Inventors: Joshin Uramoto; 上進浦本
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-04-04
Filing date: 1989-04-04
Publication date: 1990-10-29

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】材料表面の改質をイオンビーム照射によって行う方法は
最近重要性を増している。しかしながら、大面積材料の
表面を高速で一様に改質するためには点状のイオン源か
ら加速されるイオンビーム（線形）では不可能に近い。

新しい試みとして、長い線状のイオン源から加速された
イオンビーム（面積形）を用いて材料に照射し、材料を
一定速度で移動する方法、更に発展して大面積状のイオ
ン源から加速されたイオンビーム（体積形）を材料表面
に照射する方法が考えられる。この観点から、−様で高
密度の長い線状または大面積状イオン源の開発が先づ要
求される。この要求を簡単に充すのがシートプラズマで
ある。即ち、巾が広く、厚みが薄い紙状のプラズマであ
る。紙状の面を利用すれば面状のイオン源（電子源）と
なり、紙状の先端を利用すれば長い線状のイオン源（電
子源）となる。このシートプラズマを直流放電で生成す
るとすれば、留意すべき重要な問題として、放電の熱陰
極が物理的損傷（イオン逆流衝突と陰極材料の熱的寿命
）から保護されること、また化学的損傷（化学的活性気
体、例えば酸素のイオン源とするとき）からも保護され
ねばならないことである。かくて、陽極と細長い熱陰極
の間の直接放電によるシートプラズマの生成法は陰極が
物理的にも、化学的にも保護されないので工業化には適
しない。代って、陽極と陰極の間に中間電極を入れて、
陰極領域をＩ　Ｔｏｒｒ前後、陽極領域を１Ｏ−３Ｔｏ
ｒｒ前後に保つ圧力勾配型放電が考えられる。この圧力
勾配型放電では、陽極領域からのイオン逆流衝突による
陰極の損傷は、陰極領域でのイオンの平均自由行程が極
めて短かいので避けることができる。この原理はまた、
陰極側から不活性気体（Ａｒ、　Ｈｅ等）を流して基本
放電を維持し、陽極側に化学的活性気体（０２、Ｎ２等
）を導入してそのイオン源をつくる場合にも適用される
。即ち、陰極領域の不活性気体の圧力が陽極領域より１
０３倍程度高いので、陽極側の化学的活性気体による陰
極の化学的損傷が避けられる。

さてここで問題となるのはその圧力勾配型放電を構成す
る中間電極である。シートプラズマを放電によって生成
することを考えると、常識的には第１図と第２図に示し
たようなスリット形の窓を持った中間電極になり、陰極
も細長い形状になる。このとき中間電極の排気コンダク
タンスに注意しなければならない。例えば２０ｃｍ巾の
シートプラズマを生成するとて、経験上２０ｃｍ　Ｘ　
０　、５ｃｍのスリット窓で３　ｃｍ長さ程度の中間電
極が必要になる。そのスリット窓の排気のコンダクタン
スは約２００　ｌ　／ｓｅｃ　（Ａｒに対して）になり
、陰極側をＩ　Ｔｏｒｒ、陽極側を１０’　Ｔｏｒｒに
保つとすれば、２００Ｔｏｒｒ４　／ｓｅｅの気体流量
が陰極側から必要になり、陽極側で２　Ｘ　１０５／！
　／ｓｅｃの排気速度のポンプが要求される。この速度
は極めて大きなものであり、般の真空設備での実現は不
可能である。結局、このスリット形式の中間電極を有す
る圧力勾配型放電は以下の重大な欠点を生ずる。■ガス
効率が極めて悪い。■放電々力効率が悪い（放電々流が
中間電極を通過し難い）。■シートプラズマの中白のプ
ラズマ密度が一様になり難い。■簡単で長寿命の放電陰
極（特許出願５４−０５７３９５　）を使用できない。

■外部的にシートプラズマの巾を調節できない。０弱磁
場で放電しない。従ってこのスリット形式の中間電極を
有するシートプラズマは一般の工業化のための線状、面
状のイオン源（電子源）に適しない。

そこでこの発明では、圧力勾配型放電と流木式と呼ぶ簡
単で高能率なシートプラズマの生成法（特許出願５７−
０６０６３４）を組合せて以上のスリット型の欠点を解
決した。先づ、陰極と中間電極は円柱プラズマ（０，７
ｃｍφ前後）用のものをそのまま使用する。かくて、中
間電極は中心孔０　、７　ｃｍφ、長さ３　ｃｍ程度の
簡単なものとなり、その排気のコンダクタンスは１．５
１！。

／５ｅｃ（Ａｒに対して）程度に激減する。この中間電
極を通過した円柱の放電プラズマ流はその両側に配置さ
れた２枚の永久磁石によって簡単にシートプラズマに変
形される（特許出願の生成法）。この状態の真空度につ
いて考察すると、陰極側をＩ　Ｔｏｒｒに保つとしても
、陽極側（１０−３Ｔｏｒｒ　）に１　、５　Ｘ　１０
３７ｓｅｃの一般的な排気ポンプを配置すればよい（流
量１．５Ｔｏｒｒｌ／５ｅｃ）。

即ち、ガス効率とポンプの問題は簡単に解決する、次に
円柱プラズマは磁場に対して軸対称なので、中間電極を
放電プラズマ流が効率よく通過し、放電々力効率を悪化
させない。また、陰極として簡単で長寿命のものが使用
できることは極めて有利である。

他に、シート巾内でプラズマ密度が一様になる自動補正
機能もあり、弱磁場で使用（２５ガウス以上）すること
もできるので、線状、面状のイオン源（電子源）の生成
が簡単で効率的になる。陰極が物理的（特許出願５４−
０５７３９５の陰極を使用すれば熱的にも長寿命となる
ので更に完全な保護となる）、化学的損傷から保護され
ることは前述の通りである。

この発明のイオン源は線状、面状のどちらでも選択でき
る。線状のイオン源は第３図のスリット陽極（１３）近
辺で形成されるので高密度のプラズマが利用できる。従
って、高電流密度イオンビームを生成できる。なおこの
イオンビームの巾はシー）・プラズマの巾ではマ決定さ
れる（実施例としては現在４０ｃｍ巾が簡単に実現され
ている）。一方、面状のイオン源はシートプラズマの側
面、第３図で２４．２５を利用するのでシート巾×シー
トの長さで最大面積が決定される（４０ｃｍ　Ｘ　５０
ｃｍが簡単に実現されている）。この面状の場合、線状
より可成り（数分の１）プラズマ密度が低下するが、低
電子温度プラズマになっているので（シートの中心から
小さな距離で急激に低電子温度になる）安定に利用でき
る。側面を線状に利用できることは当然である。

以上は主として流木式シートプラズマのイオン源への適
用を想定したが、第３図で２４．２７を陽極（１３）に
対して正電位に保ち、２５．２８に更に高い正電位を与
えれば電子を加速することができる。この場合、陽極側
は線状電子源となり面状の電子ビームを形成する。一方
シートプラズマの側面は面状電子源となり、加速された
電子は磁場によって曲げられ、第３図で、紙面に垂直方
向に集束する形の電子流を形成する。従って、低エネル
ギー（１〜２　ＫｅＶ）でも大電流の電子流（数Ａ以上
）として利用できる。かくて、従来の電子ビームにない
新しい応用の道が開ける。

最近、酸素イオン源が超伝導の研究等に関連して重要性
を増している。しかしながら安定で大電流、大電流密度
の酸素イオン源はまだ実現していないのが現状である。

この発明を利用して、その特に重要な化学的活性気体で
ある酸素（０゜）のイオン源をつくるには、第３図で陽
極側２０から０２ガスを流し、基本的放電は陰極側から
流すＨｅガスによって維持すればよい。Ｈｅガスの電離
電圧は２４　、５Ｖであり、０゜ガスの１２．２Ｖより
２倍も高く、またＨｅガスの電離能率は最大１イオン対
／ｃｍ前後であり、０２ガスの最大１０イオン対／ｃｍ
に比較して１／１０である。即ち、Ｈｅガスは同程度の
ガス圧力なら０゜ガスより１０〜２０倍電離作用が小さ
い。かくして、０２ガスの陽極側でのプラズマ密度を、
Ｈｅガス（キャリアガスで不活性気体）のプラズマ密度
より著しく高くすることは容易になる。またＨｅガスの
Ｈｅ＋イオンは質量は小さいので０２ガスのイオン（Ｏ
云Ｏ＋）と分離することも容易になる。この原理によっ
て、陰極を保護しながら大電流放電を行えば、目的の大
電流、大電流密度酸素イオン源が可能となる。

【図面の簡単な説明】

図面の第１図はスリット形式の中間電極による圧力勾配
型放電シートプラズマ生成装置の構成図であり、第２図
はそのスリット形式中間電極の断面とシートプラズマの
断面の概念図である。また図面の第３図は流木式圧力勾
配型放電シートプラズマ生成装置の構成図であり、第４
図はその放電陽極の断面とシートプラズマの断面の概念
図である。図面において、１は細長い放電陰極、２はス
リット形式中間電極、３は放電陽極、４は基本放電用気
体（陰極側から流す）、５はシートプラズマ（巾方向を
示す）、６は放電電源、７は放電に沿った一様磁場を示
し、８は排気ポンプを示し、９はスリット形式中間電極
（２）の断面を示し、１０はスリット形の窓を示し、１
１はシートプラズマ（５）の断面を示す。また、１２は
簡単で長寿命の放電陰極（特許出願５４−０５７３９５
　）、１３はスリットを持った放電陽極、１４は圧力勾
配型放電の第１中間電極で、円柱プラズマ用のものを転
用しており（中心に０．７ｃｍφで３ｃｍ長さ程度の孔
を開けである）、１５は圧力勾配型放電の第２中間電極
で、やはり円柱プラズマ用のものを転用しており（中心
に１．５ｃｍφで４　ｃｍ長さ程度の孔を開けである）
、１６は陰極側から導入する基本放電気体、１７は放電
プラズマに沿って一様磁場を発生させるための空芯コイ
ル、１８は円柱プラズマをシートプラズマに変形するた
めの一対の永久磁石（簡単で高能率なシートプラズマの
生成性特許出願５７−０６０６３４）、１９は流木式シ
ートプラズマ（紙面に垂直に大きな巾を持つ）、２０は
陽極側から導入される付加気体、２１は放電電源、２２
はシートプラズマの側面の排気ポンプを示し、２３はシ
ートプラズマの陽極から流出する気体の排気ポンプを示
し、２４はシートプラズマ側面に配置される多孔型で大
面積の引き出し第１電極でイオンビームのときは陽極（
１３）に対して負電位にバイアスされ、電子ビームのと
きは正電位にバイアスされる電極、２５は大面積の引き
出し第２電極で、イオンビームのときは負、電子ビーム
のときは正の加速電圧が与えられる電極、２６は加速さ
れて体積状になるイオンビームまたは電子ビーム（磁場
のため紙面に垂直方向に曲げられる）、２７は第４図に
示したような線状のプラズマ源からイオンビームを引き
出すための第１電極で、イオンビームのときは陽極（１
３）に対して負電位、電子ビームのときは正電位にバイ
アスされる電極、２８は引き出し第２電極、イオンビー
ムのときは負、電子ビームのときは正の加速電圧が与え
られる電極、２９は加速されて面状になるイオンビーム
、３０は陽極（１３）の断面を示し、３１は陽極のスリ
ット、３２はシートプラズマの線状の断面を示す。

Claims

【特許請求の範囲】圧力勾配型気体放電と簡単で高能率なシートプラズマの
生成法（特許出願５７−０６０６３４）を利用した線状
または面状の（１）イオン源、（２）電子源、（３）放電の陰極側か
らＨｅガスを流し、陽極側からＯ＿２ガスを流す酸素イ
オン源。