JPH04102154U - イオンビーム発生装置の陰極構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 イオンビーム発生装置のプラズマ生成部陰極
の熱伝達によるエネルギーロスを少なくし、低出力のプ
ラズマにおいても自己加熱によって熱陰極動作温度を保
つことを可能にすること。 【構成】 熱陰極２１をブロック状に形成し、これを少
なくとも３本の位置調整ロッド２７を介して支持して熱
陰極２１に対する接触面積を小さくしする。また、ブロ
ック状の熱陰極２１によって熱陰極２１の長寿命化をは
かるようにしている。さらに、加熱ロスの少ないブロッ
ク状の熱陰極２１の近傍後方に加熱ヒータ２９を設け、
ヒータ電源３２を制御器３３で初期プラズマを発生させ
た後には加熱を停止するよう制御し、発生プラズマのエ
ネルギーを利用して自己加熱状態を保持できるようにし
ている。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案はイオン照射、イオン注入、薄膜コーティングなどの表面処理に使わ れるイオンビーム発生装置のプラズマ生成部の陰極構造に関し、熱伝達によるエ ネルギーロスを少なくし、低出力のプラズマにおいても自己加熱によって動作温 度を保つことを可能としたものである。

【０００２】

【従来の技術】

力学エネルギー以外のエネルギを用いる特殊加工の１つにイオンビーム加工が あり、アルゴンなどの不活性ガスのイオンを電気的に加速して高エネルギーのイ オンを作り、このイオンを利用してイオン照射、イオン注入、薄膜コーティング などの表面処理等が行われている。

【０００３】 このようなイオンビーム加工を行うためには、イオンビームを発生する必要が あり、例えば図３に示すようなイオンビーム発生装置１が用いられ、イオン発生 用チャンバ２内の陰極３を加熱ヒータ４で加熱して熱電子を放出させるとともに 、熱陰極３と陽極５の間にてアーク放電を行なわせ、イオン発生用チャンバ２内 に供給したアルゴンガス６等のプラズマを発生し、そこからイオンを引出電極８ で引き出すようにしている。なお、マグネット７によりプラズマの高密度化を行 なっており、９はフィラメントである。

【０００４】 このようなイオンビーム発生装置１では、プラズマ生成部の熱陰極３が性能に 大きく影響するが、このプラズマ生成部の熱陰極３の詳細な構造は、図４に示す ように、底部分に孔が明けられた円筒状の熱陰極ケーシング１０の内側先端部に ２枚の円板状のスペーサ１１で挾むようにして六朋化ランタン製の熱陰極３を配 置し、熱陰極ケーシング１０に装着したスペーサ１１後方の支持部材１２を介し て熱陰極３を固定するようにするとともに、熱陰極３の後方には、加熱ヒータ４ のフィラメントが設けられている。さらに、熱陰極３や加熱ヒータ４などイオン ビーム発生装置１の各部には、所定の電圧が各電源によって印加されるようにな っている。

【０００５】 このようなイオンビーム発生装置１の熱陰極３では、加熱ヒータ４によって熱 陰極３を加熱するとともに、熱陰極３と陽極５との間に適当な電圧を印加してア ーク放電を行わせてプラズマを発生し、このプラズマによっても熱陰極３を加熱 するようにして所定の高温状態を保持するようにしている。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】

ところが、このようなイオンビーム発生装置１の陰極構造では、熱陰極３の表 面を円板状のスペーサ１１で覆うとともに、熱陰極ケーシング１０内に支持部材 １２を介して熱陰極３を取付けるようにしているので、加熱ヒータ４による加熱 エネルギーが熱陰極３を介してスペーサ１１や支持部材１２などに伝わり、この ため熱陰極３を高温に出来ず、熱電子の発生する有効面積が少ないという問題が ある。 このため、熱陰極３を大きくする必要があり、加熱用の電力も非常に大きくな るという問題もある。 さらに、プラズマ発生後においても熱エネルギーのロスが大きく、プラズマか らの熱だけで熱陰極３の温度を高温に保持すること（自己加熱）ができず、熱陰 極３の加熱に常時大電力を必要とするという問題がある。 また、熱陰極３の加熱効率を上げようとすると、熱陰極３自体を薄くしたり、 小さくしなければならず、熱陰極３の寿命が短くなるという問題もある。

【０００７】 この考案は、かかる従来技術の課題に鑑みてなされたもので、寿命を長くでき るとともに、加熱エネルギーのロスを少なくでき、プラズマ発生後においては、 プラズマからの熱で高温状態を保持することができるイオンビーム発生装置の陰 極構造を提供しようとするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】 上記従来技術が有する課題を解決するため、この考案のイオンビーム発生装置 の陰極構造は、イオンビーム発生装置におけるプラズマ生成部の熱陰極をブロッ ク状に形成し、このブロック状の熱陰極を少なくとも３本の位置調整ロッドで支 持する一方、このブロック状の熱陰極の近傍後方に初期プラズマを発生させプラ ズマ発生後には加熱を停止する加熱ヒータを設けたことを特徴とするものである 。

【０００９】

【作用】

このイオンビーム発生装置の陰極構造によれば、熱陰極をブロック状に形成し て、この熱陰極を側面から少なくとも３本の位置調整ロッドを介して支持するよ うにしており、熱陰極に対する接触面積を小さくして加熱エネルギーのロスを小 さくできるようにするとともに、ブロック状の熱陰極によって熱陰極の長寿命化 をはかるようにしている。 また、このブロック状の熱陰極の近傍後方に初期プラズマを発生させる加熱ヒ ータを設けているが、熱陰極の加熱エネルギーのロスを小さくしているので、プ ラズマ発生後には加熱を停止し、発生プラズマのエネルギーを利用して自己加熱 状態を保持できるようにしている。

【００１０】

【実施例】

以下、この考案の一実施例を図面に基づき詳細に説明する。

【００１１】 図１及び図２はこの考案のイオンビーム発生装置の陰極構造の一実施例にかか る縦断面図及びＡ−Ａ矢視図である。

【００１２】 このイオンビーム発生装置の陰極構造２０は、図３で説明したイオンビーム発 生装置１のイオンビーム発生用チャンバ２内の熱陰極３に適用される。

【００１３】 イオンビーム発生用チャンバ２の熱陰極２１の取付部には、固定リング２２を 介してフランジを備えた熱陰極支持筒２３がボルト２４で取付けられ、イオンビ ーム発生用チャンンバ２内に突き出すようになっている。この熱陰極支持筒２３ の先端部には、ネジを介して先端底部分に熱陰極取付用の孔が形成された円筒状 の陰極支持部材２５が連結されている。

【００１４】 この陰極支持部材２５の先端部の熱陰極取付用の孔部分には、円周４箇所に放 射方向の孔が形成され、これらの孔の外側部分に雌ネジが形成されてそれぞれに 位置調整ネジ２６がねじ込まれるとともに、位置調整ネジ２６の先方部分には、 位置調整ロッド２７が中心部に突き出すように装着されている。

【００１５】 したがって、位置調整ネジ２６によって位置調整ネジ２６の突出量を変えるこ とができる。

【００１６】 この４本の位置調整ロッド２７はタングステン、タンタル、モリブデンなどの 耐熱金属材料で作られ、熱陰極２１の加熱に対応できるようになっている。さら に、これら位置調整ロッド２７の先端部には、スペーサ２８を介して熱陰極２１ が配置され、四方向から押し付けることで熱陰極２１を支持するようになってい る。このスペーサ２８は熱陰極２１の腐蝕防止及び耐熱性確保のため炭素材で作 られている。

【００１７】 また、熱陰極２１はブロック状に形成され、その中心部に孔が明けられており 、例えば六朋化ランタン（Ｌa Ｂ₆ ）等の導電性セラミックや金属などが用いら れる。

【００１８】 したがって、ブロック状の熱陰極２１は、その側面にスペーサ２８を介して各 位置調整ロッド２７が当てられて四方から押し付けるようにして陰極支持部材２ ５に支持されるとともに、位置調整ロッド２７の突出量を位置調整ネジ２６で変 えることで、熱陰極２１を平面内で動かして位置を調整することができる。

【００１９】 この熱陰極２１の近傍後方である陰極支持部材２５内には、熱陰極加熱用の加 熱ヒータ２９が配置され、フィラメントの両端部がそれぞれフィラメントホルダ ３０に固定されている。

【００２０】 ２つのフィラメントホルダ３０は、熱陰極支持筒２３に固定されたヒータ支持 部材３１に取付けられている。この加熱ヒータ２９には、ヒータ電源３２と制御 器３３が接続されており、イオンビーム発生初期の初期プラズマの生成に必要十 分な熱電子を放出できる温度になるまで熱陰極２１を加熱するためヒータ電源３ ２から通電され、プラズマ発生後には通電が停止されるように制御器３３で制御 されるようになっている。

【００２１】 また、この熱陰極２１の前方には、陽極５が配置されており、他の構造は既に 説明した図３の場合と同一となっている。

【００２２】 次に、このような陰極構造を備えたイオンビーム発生装置のイオンビームの発 生に必要なプラズマの生成について説明する。

【００２３】 まず、加熱ヒータ２９にヒータ電源３２を用いて通電し、加熱ヒータ２９ のフィラメントを抵抗加熱で高温にして熱陰極２１を加熱する。

【００２４】 これと同時に、熱陰極２１と陽極５との間に図示しない電源を用いて適当な電 圧を印加し、アーク放電を発生させるとともに、イオン発生用チャンバ２内にア ルゴンガスなどの不活性ガスを供給する。

【００２５】 すると、加熱ヒータ２９のフィラメントから放出される熱電子が熱陰極２ １に衝突し、熱エネルギに変換されて熱陰極２１が加熱され、熱陰極２１からも 熱電子が放出される。そして、この熱陰極２１がプラズマ生成に必要十分な熱電 子を放出できる温度になると、熱陰極２１と陽極５との間でプラズマが生成され る。なお、このプラズマ生成のときには、加熱ヒータ２９と熱陰極２１が同電位 となるようにする必要があり、ヒータ電源３２と図示しない熱陰極２１と陽極５ の間に通電する電源との接続をこの条件を満足するようにしておく。

【００２６】 こうしてプラズマが生成された後（初期プラズマ生成後）は、このプラズ マによって熱陰極２１が加熱され、この加熱によってプラズマ生成に必要十分な 熱電子の放出が行われる自己加熱状態となるので、制御器３３によってヒータ電 源３２を制御して加熱ヒータ２９への通電を停止するようにする。

【００２７】 このプラズマ中のイオン化率をマグネットにより増加させ、そのイオンを 引出電極で引き出すようにするのは、従来のイオンビーム発生装置の場合と同様 であり、引き出されたイオンビームが加工室などに送られてイオン照射、イオン 注入、薄膜コーティングなどの表面処理やイオンビーム加工などに利用される。

【００２８】 したがって、このイオンビーム発生装置の陰極構造２０によれば、熱陰極２１ をブロック状にし、しかも従来の円板状の場合に比べて小さくしているので、熱 陰極２１を効率よく加熱でき、昇温のためのエネルギーを軽減することができる 。 また、熱陰極２１をスペーサ２８を介して位置調整ロッド２７と位置調整ネ ジ２６で支持するようにしているので、熱陰極２１を支持するための接触面積が 非常に小さく、熱陰極２１に加えられるエネルギーの熱伝達によるロスが小さく 、プラズマ出力が数１００Ｗと小さい場合でも、熱陰極２１の自己加熱が可能で あり、プラズマ発生後の加熱に必要なヒータ電源３２の供給電力を極力減らすこ とができる。

【００２９】 さらに、ブロック状の熱陰極２１を用いるようにしているので、円板状の熱陰 極の場合に比べ、熱陰極２１の使用可能な時間、すなわち寿命を大幅に延ばすこ とができる。

【００３０】 また、熱陰極２１を位置調整ネジ２６と位置調整ロッド２７で支持するように しているので、位置調整ネジ２６の突出量を変えることで、熱陰極２１の位置を 調整することができる。

【００３１】 なお、上記実施例では、位置調整ロッドを４本で構成したが、これに限らず、 位置調整ロッドは少なくとも３本あれば良く、位置調整ロッドによって熱陰極を 側面から支持し、位置調整ができれば良い。

【００３２】 また、熱陰極としては、六朋化ランタン（ＬａＢ₆ ）を用いる場合に限らず、 ＴｉＣなど他の導電性セラミックスや金属などを使用するようにすることも可能 であり、金属とする場合には、スペーサを省略して直接位置調整ロッドで支持す ることができる。

【００３３】 さらに、この考案の要旨を変更しない範囲で、各構成要素に変更を加えるよう にしても良い。

【００３４】

【考案の効果】

以上、一実施例とともに具体的に説明したようにこの考案のイオンビーム発生 装置の陰極構造によれば、熱陰極をブロック状に形成して、この熱陰極を側面か ら少なくとも３本の位置調整ロッドを介して支持するようにしたので、熱陰極に 対する接触面積を小さくして加熱エネルギーのロスを小さくできるとともに、ブ ロック状の熱陰極によって熱陰極の長寿命化をはかることができる。 また、このブロック状の熱陰極の近傍後方に初期プラズマを発生させる加熱ヒ ーターを設けているが、熱陰極の加熱エネルギーのロスが小さいことから、発生 プラズマのエネルギーを利用して自己加熱状態を保持することができ、プラズマ の発生後にはヒーター加熱を停止できるので、加熱電力を大巾に減少できる。

【００３５】 さらに、ブロック状の熱陰極を側面で支持するようにしているので、熱電子を 放出する有効面積を大きくでき、熱陰極自体のブロックの大きさを小さくできる 。 また、熱陰極の昇温効率が高いので、低出力、小型のイオンビーム発生装置 に適用でき、従来よりも小電力で動作するイオンビーム発生装置とすることがで きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この考案のイオンビーム発生装置の陰極構造の
一実施例にかかる縦断面図である。

【図２】この考案のイオンビーム発生装置の陰極構造の
一実施例にかかるＡ−Ａ矢視図である。

【図３】この考案が適用されるイオンビーム発生装置の
概略断面図である。

【図４】従来の陰極支持構造の部分断面図である。

【符号の説明】

２０ イオンビーム発生装置の陰極支持構造 ２１ 熱陰極 ２５ 陰極支持部材 ２６ 位置調整ネジ ２７ 位置調整ロッド ２９ 加熱ヒータ ３２ ヒータ電源 ３３ 制御器

フロントページの続き (72)考案者 中本 一朗 東京都江東区豊洲三丁目１番15号 石川島 播磨重工業株式会社東二テクニカルセンタ ー内

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】イオンビーム発生装置におけるプラズマ生
   成部の熱陰極をブロック状に形成し、このブロック状の
   熱陰極を少なくとも３本の位置調整ロッドで支持する一
   方、このブロック状の熱陰極の近傍後方に初期プラズマ
   を発生させプラズマ発生後には加熱を停止する加熱ヒー
   タを設けたことを特徴とするイオンビーム発生装置の陰
   極構造。