JPH0255897B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はイオン発生装置（イオン源）に係
り、就中低圧気中放電の一種のクロスフイールド
放電を用いたイオン源に関する。 原子核物理学、宙宙推進機関、イオンインブラ
ンテイシヨン、イオンプレイテイング、イオン加
工、表面分析など広い分野で、重イオンビーム発
生装置（以下重イオン源という）が利用されてい
る。 重イオン源のうち、常温で固体である物質のイ
オンを発生するものには、電子衝撃形、PIG形、
デユオプラズマトロン形などがある。電子衝撃形
重イオン源は、所望の物質を蒸気にする蒸気発生
炉が必要で、イオン源内部が汚染され易く、ヒー
タ断線が多いので操作性が悪く、蒸気発生炉では
充分な量の蒸気が得られない低蒸気圧物質のイオ
ン源には使用できないという欠点がある。デユオ
プラズマトロン形には、高温の蒸気発生炉を用い
るものと、固体物質をスパツタし、プラズマ中で
イオン化するものがある。蒸気発生炉を用いるも
のは、電子衝撃形イオン源と共通の欠点を有す
る。スパツタリングを利用するものは、高温の蒸
気発生炉を必要とせず、多種の重イオンを発生で
きるという利点がある。 しかし、デユオプラズマトロンは、プラズマを
形成するための大電力が必要であり、更に熱陰極
あるいは高温のホーロカソードという、共にイオ
ン源の操作性を悪くする部品を必要とした。 スパツタリングを利用したPIG重イオン源に
は、開口を陽極に有するものと陰極に有するもの
とがある。陽極上開口形には負イオンを取出すも
のと、PIGプラズマ発生装置として動作させ、プ
ラズマのイオンによりスパツタされた物質をイオ
ン化し、陽イオンして取出すものがある。後者の
PIGプラズマ発生形は、デユオプラズマトロンと
同様に作動（プラズマ発生）に大電力を必要とす
る欠点があり、同様にイオン発生装置へ注入した
電力による温度上昇の抑制が困難であるという欠
点もある。前者の負イオン取出し形は、負イオン
を形成するためにセシウム蒸気が必要であり、装
置の耐食性や取扱いに問題があつた。 スパツタリングを利用し、陰極に開口を有する
ものは、構造が単純で消費電力が少なく冷却が特
別に問題とならず、小容量の真空排気装置で排気
するだけで使用でき、操作性が良いという利点が
あつたが、イオン電流が他の形式のものに比較し
て少なく、実用性が低かつた。 この発明は以上の様な実情に鑑み成されたもの
であり、構造が単純で消費電力が少なく、小容量
の排気装置で排気するだけで使用でき、操作性の
よい、ビーム強度を大幅に改善した冷陰極クロス
トフイールド形重イオン源として適したイオン発
生装置を提供することを第一の目的とする。 本発明の第二の目的は、イオン加速部などを付
加せずにイオン源の制御により、出力ビームのイ
オン運動エネルギの平均値を大幅かつ容易に制御
できるという、従来のイオン源では不可能であつ
た機能を有する重イオン源として適したイオン発
生装置を提供するにある。 クロスフイールド放電装置に制御電極を付加し
放電を制御して陰極棒状部の物質のスパツタ量を
増加させて第一の目的を達成し、二つの陰極の電
位を独立に定めることができる様にして第二の目
的を達成した。 以下、添付図面に従つてこの発明の実施例を従
来の構造を述べつつ説明する。 第１図は従来のPIG重イオン源の構成を示す縦
断面図である。陽極１は円筒状中空部２を有する
ものであり、その二つの開口部のおのおのに離間
かつ近接して、開口を覆う形状に二枚一組の陰極
３及び４が設けられ、該陰極３には陽極の円筒状
中空部２の軸心の位置に陽極の中空部２の貫通の
方向に貫通孔９が穿設され、陰極４には陽極の円
筒状中空部２の軸心の位置にイオンを発生させる
べき部材４ａが保持され、該部材４ａは陰極４の
一部をなす。これらの陽極１、陰極３及び４は真
空容器５に収容され、二枚の陰極３及び４は、図
１に明らかに示す如く、真空容器５の内部で短絡
されており、陽極１と陰極３及び４の間に高電圧
を印加する電源の出力（図示していない）は、気
密な真空容器壁貫通部６及び７を一部として有す
る結電往路により、陽極１と陰極３及び４に供給
される。磁場発生装置８の作る磁場は、陽極の中
空部２の軸に平行である。 真空容器５は真空装置（図示していない）に接
続され、該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となるように排気
し、イオン源作動時にこの真空容器５の内部に、
イオン源作動に適した気体を供給する。 イオン源の作動条件は、所要の特性によつて選
ばれる。一例を示すと、真空容器５内の作動気体
密度４×10¹⁷ｍ^-3、陽極中空部半径7.5mm、陽極間
電圧3KV、磁場0.15T³である。 真空装置（図示していない）から真空容器５に
導入された気体の一部は陽極の中空部２で放電に
より電離され、生成されたイオンの一部はイオン
を発生させるべき部材４ａに衝突し、スパツタさ
れた部材４ａからの粒子の一部は陽極１の中空部
で放電により電離されて重イオンを形成し、重イ
オンはイオン取出しの貫通孔９から取出されてイ
オンビームを形成する。このイオンビームは通常
該真空容器５に導入された気体分子イオンと、陰
極上の部材４ａからの粒子のイオンを含むので、
必要に応じて質量分離して利用される。 これに対して、第２図は本発明のイオン発生装
置の実施例を示す重イオン源の主要部縦断面図で
ある。 １１は貫通した中空部１２を有する陽極であ
る。１３ａは該陽極１１の一方の開口端に離間か
つ近接して配設された該一方の開口を覆う形状を
有する板状部、１３ａは板状部１３ａに固着され
た陽極の中空部１２にその軸心と実質的に平行に
延在する棒状部で、その表面の陽極の中空部１２
の内部の端部近傍はイオンとなるべき物質で形成
されている。板状部１３ａと棒状部１３ｂは第一
の陰極１３を構成する。１４は陽極１１の他方の
開口端に離間かつ近接して配設され、他方の開口
端を覆う形状を有する第二の陰極で、金属製の真
空容器１５の管内壁に固着され、雰囲気的には真
空容器１５と同電位に保持される。１６は第一の
陰極の棒状部１３ｂから離間して板状部１３ｂに
穿設された貫通孔、１７は板状部の貫通孔１６を
貫通し一部は陽極の中空部１２に延在する制御電
極である。１８は陽極の中空部１２にその軸心に
実質的に平行な磁場を印加する磁場発生装置、１
９は第二の陰極１４に穿設された貫通孔で、その
軸心は陽極の中空部１２の軸心に一致している。
２０は絶縁物製の支持体で、該陽極１１、該第一
の陰極１３、該制御電極１７を通電路を兼ねる図
示の支持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
れない導電線は電気的線続部で各電極に接続され
る。支持体２０は支柱１０で支持され、該支柱１
０は図示されない構造物に支持される。本実施例
では、第一の陰極１３と第二の陰極１４の電位は
互に独立に定めることができる様に構成されてい
る。 第３図ａ，ｂは本発明のイオン発生装置を作動
させるための回路の実施例を示す回路図である。
第２図と共通する部分には同一番号を符し、説明
の重複を避ける。 第二の陰極１４は第３図ａ，ｂとも接地され、
その電位はａではVk＝０、ｂではVk₂＝０であ
るが、この接地は必ずしも必要でなく、一般には
任意の電位でよい。ａでは第一の陰極１３の電位
はVk＝０と、第二の陰極の電位に等しく、ｂで
は第一の陰極１３の電位はVk₁で、Vk₁≠Vk₂で
あつてもよい。ａで、２１及び２２は直流電源
で、陽極１１の電位Va、制御電極１７の電位
Vg、及びV_Rの間に、 Vk＜Vg＜Va なる関係が成立する。ｂで、同じく直流電源２
３，２４，２５により Vk₁、Vk₂＜Vg＜Va が成立するようになされている。 以上述べた第１図に示す従来のPIG重イオン源
及び、第２図及び第３図に示す本発明のイオン発
生装置の実施例を参照して本発明の効果を述べ
る。第４図はこの発明のイオン発生装置の効果を
説明する線図である。ａ〜ｅの横軸は、モリブテ
ンに入射する水素イオンの運動エネルギー、縦軸
のうちｓは入射イオン１個あたりのスパツタされ
る原子数で表わされるスパツタ比、ｆは入射する
水素イオンを運動エネルギーがｕ以上ｕ＋du未
満のものが単位時間にモリブテンに入射する数は
fduであると定義した水素イオンエネルギー分布
函数であり、ｓとｆは相対値で示される。 第４図ａは、ｓのｕに対する依存を示す。 第４図ｂは、第１図に示す従来のPIG重イオン
源の、モリブテン製の部材４ａに入射する水素イ
オンのｆのｕに対する依存を示す。 第４図ｃは、第２図に示すこの発明の重イオン
源のモリブテン製の棒状部１３ｂに入射する水素
イオンのｆのｕに対する依存を示す。 第４図ｂに於て、陰極電位Ov、陽極電位を
Va、水素イオンの電極をｅとすると、ｆはｏ以
下及びeVa及び陽極降下の範囲ではｆは非常に小
さく０（ゼロ）としてよい。図に示す様に、ｆは、 eV₀≦ｕ＜eVa でのみ、０（ゼロ）でない値をとる。ｆはｕの小
さい範囲で大きな値をとる。ｕの大きい範囲では
ｆは小さくなる。放電の部位に放出されるモリブ
デン原子の単位時間あたりの数Ｑは、 Ｑ＝∫^eVa _eV0ｆ・sdu で与えられる。この積分の被積分函数fsのｕ依存
を、第４図ｄに示す。 第４図ｃに於いて、第二の陰極１４の電位Vk₂
をＯ、陽極１１の電位をVaとすると、第４図ｂ
の場合と同様に、ｆは、 eV₀≦ｕ≦eVa でのみ、０（ゼロ）でない値をとる。ｃがｂと異
なるところは、ｃのこの実施例においては制御電
極１７により制御されたクロストフイールド放電
であるので、V₀はｂにおける値より大きく放電
維持に支障のない範囲で、制御電極１７の電位
Vgにより自由に選択できることであり、陰極１
３及び１４の電位に無関係に定まることである。
この発明の実施例を示すｃでは、従来の構成例と
対比し易くするために、Va−V₀をｂにおける値
に等しくした場合を示してある。 ｃとｂとを比較してわかるように、ｆのｕに対
する依存はｃでは、ｂのそれを示す曲線を横軸に
沿つて高エネルギー側に移動させた曲線で表わさ
れる。 第４図ｅは、第４図ｃのエネルギーの分布函数
の場合の、Ｑを与える被積分函数fsのｕの依存を
示す。ｅとｄを比較して、この発明では従来の構
成例と比較して、スパツタされるモリブデンの量
を多くすることが出来る。 この発明は以上のように、制御電極を付加した
クロスフイールド放電に於てイオンを発生させる
べき部材である棒状部をその一部として有する第
一の陰極を衝撃するイオンエネルギー分布を制御
し、大きなスパツタ比を得られる領域で使用する
ことにより、出力重イオンビーム強度を増加させ
るイオン源を提供できる。 スパツタ比の増大は、第４図ｅで従来の構成例
と比較して、スパツタされるモリブデンの量を多
くすることができることを示している。この結果
出力イオンビームを増加することができる。従来
の構成において、この発明と同様の効果を期待し
て、従来のPIG重イオン源の二つの陰極３及び４
を電気的に独立させ、該陰極３を０（ゼロ）Ｖに
保ち、他の該陰極４に負の高電圧を印加すると、
PIG放電が不安定になり、所期の効果は得られな
い。これが本発明の第一の効果である。本発明の
イオン発生装置にはまた、従来のPIGイオン源と
同じく、構造が単純で消費電力が少なく、小容量
の排気装置で排気するだけで使用でき、操作性が
良いという特徴がある。 上述の如く、引出されたイオンビームの、イオ
ン運動エネルギは第４図ｃに示すごとくeV₀ｕ
＜eVaに分布するが、これは陰極電位に無関係
に、陽極と制御電極の電位により制御できるの
で、イオン加速部などを付加することなく、ビー
ムイオンのエネルギの平均値をイオン源の制御に
より行うことができるという、本発明の第二の効
果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のPIG重イオン源の構成を示す縦
断面図、第２図は本発明のイオン発生装置の実施
例を示す重イオン源主要部縦断面図、第３図ａ，
ｂは本発明のイオン発生装置を作動させるための
回路の実施例を示す回路図、第４図ａ〜ｅはこの
発明のイオン発生装置の効果を説明する線図であ
る。 １，１１……陽極、２，１２……陽極の中空
部、３，４……陰極、４ａ……イオンを発生させ
るべき部材、８，１８……磁場発生装置、９……
陰極３の貫通孔、１３……第一の陰極、１３ａ…
…板状部、１３ｂ……棒状部、１４……第二の陰
極、１６……第一の陰極の板状部１３ａの貫通
孔、１７……制御電極、１９……第二の陰極１４
の貫通孔、２１，２２，２３，２４，２５……直
流電源。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 貫通した中空部を有する陽極と、この陽極の
   一方の開口端に離間かつ近接して配設され、前記
   開口端を覆う形状を有する板状部に、前記陽極の
   中空部にその軸心と実質的に平行に延在し、その
   表面の少くとも前記陽極の中空部内の端部近傍は
   イオンとなるべき物質で形成された棒状部を植設
   してなる第一の陰極と、この第一の陰極の板状部
   に穿設した貫通孔を貫通して前記陽極の中空部に
   延在するよう構成した制御電極と、前記陽極の他
   方の開口端に離間かつ近接して配設され前記開口
   端を覆い前記陽極の中空部の軸心に一致する貫通
   孔穿設した形状を有する第二の陰極と、前記陽極
   には前記制御電極よりも高く、前記第一及び第二
   の陰極には前記制御電極よりも低い電位を与える
   手段と、前記陽極の中空部にその軸心に実質的に
   平行な磁場を印加する手段と、を具備することを
   特徴とするイオン発生装置。 ２ 第一の陰極の電位と第二の陰極の電位を互に
   独立させたことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載のイオン発生装置。