JPH0479460B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、複数の電子サイクロトロン共鳴領域
を有するマルチチヤージイオン源に関する。

（従来の技術） マルチチヤージイオン源は、イオン注入、マイ
クロエツチングの分野並びに特に科学及び医学の
双方において使用される粒子加速装置の分野にお
いて、抽出されるイオンの種々の運動エネルギ値
の関数として多くの適用がある。電子サイクロト
ロン共鳴源において、イオンは、電子サイクロト
ロン共鳴によつて高速に加速された電子プラズマ
により例えば金属蒸気からなる気体を超高周波空
洞型の閉塞エンクロージヤ内でイオン化して得ら
れる。この共鳴は、イオン化すべき気体を収容す
るエンクロージヤ内に導入される高周波電磁場及
びエンクロージヤ内を支配する磁場の結合した作
用の結果として得られる。磁場の振幅Ｂは次の電
子サイクロトロン共鳴条件を満足する。

Ｂ＝ｆ・2πｍ／ｅ ここでのｅは電子の電荷、ｍは電子の質量、ｆ
は電磁場の周波数である。

この種の源（ソース）では、生成されるイオン
の量は２つの過程の競合の結果得られる。２つの
過程のうちの１つはイオン化すべき気体を構成す
る中性原子に対する電子の衝突によるイオンの形
成であり、もう１つは電子と中性原子との衝突の
間に単一の再結合または多重的な再結合により該
イオンが破壊されることである。後者はまだイオ
ン化していない気体から起こるか、またはエンク
ロージヤの壁にイオンが衝突することにより該壁
上にて起こる。

従つて、この種のイオン源における問題は生成
したイオンが中性原子と衝突するのを防止するこ
とにより、生成したイオンの破壊を最小化するこ
とである。

このような欠点を除去するために、生成される
イオンをこれらのイオン化のために使用される電
子とともにイオン源を構成するエンクロージヤ内
に閉じ込めることが考えられてきた。これは、動
径方向及び軸方向の局所的磁場の群をエンクロー
ジヤ内で形成することによりなされる。この局所
的磁場の群はエンクロージヤの壁と接触しないい
わゆる閉じた等磁気面（equimagnetic surface）
を定め、該面上で電子サイクロトロン共鳴条件が
満足される。この面は局所的磁場の振幅が同じ値
を持つごとき点が存在する場所を形成する。この
ようなイオン源は本出願人の出願に係るフランス
国特許第2485798号（1980年２月13日出願）に記
載されている。

等磁気面がエンクロージヤの壁により接近する
につれて、その有効性はより大きくなる。何故な
らこの接近は、存在する中性原子の体積、すなわ
ち中性原子−イオン衝突量を制限することを可能
にするからである。しかしながら、等磁気面がエ
ンクロージヤの内壁に接触するという深刻なリス
クがあり、そのため電磁場とは異なる周波数に同
調する振幅を有する第２の等磁気面を使用するこ
とが好ましい。このため第２の超高周波ジエネレ
ータの使用が自動的に必要となつてくる。

（発明の課題及び要約） 本発明はイオンと中性原子との衝突による再結
合の影響を最小化することができ、かつ第２の超
高周波ジエネレータの使用を不要とする、電子サ
イクロトロン共鳴を行なうマルチチヤージイオン
源に係るものである。

更に詳細に本発明は、プラズマを生成するため
の気体を収容し、生成されたプラズマを閉じ込め
るための封止されたエンクロージヤと、該エンク
ロージヤ内に高周波電磁場を形成する手段と、電
子サイクロトロン共鳴により生成されるプラズマ
の閉じ込めを可能とし、そのうちの１つにおいて
共鳴条件が満たされるごとき、局所的磁場の振幅
が同じ値をもつ複数の等磁気面を定めかつ対称軸
を有する軸方向および動径方向の局所的磁場の群
を前記エンクロージヤ内に形成する手段と、前記
対称軸上に前記エンクロージヤの壁に形成された
孔を介してイオンを抽出する手段とを有するマル
チチヤージイオン源において、閉じ込められたプ
ラズマが占める体積の外側であつて、前記対称軸
の外側に位置する複数個の小領域内で前記抽出用
孔の近傍及よび少し上流並びに前記抽出用孔の下
流の全体積における局所的な軸方向磁場の大きさ
を減少させる手段を有することを特徴とするマル
チチヤージイオン源に係るものである。この局所
的な軸方向磁場の減少により、新しいイオン化電
子サイクロトロン共鳴がｎ個の領域に現われるこ
とが可能となる。

本発明の好ましい実施態様によれば、局所的な
動径方向の磁場が前記エンクロージヤのまわりに
対称的に配された複数の棒状磁石により形成さ
れ、各棒状磁石は複数の単位マグネツトより構成
され、前記棒状磁石の終端単位マグネツトが同じ
極性を有する抽出用孔と同じレベルに設けられ、
その結果前記局所的な軸方向磁場の大きさを減少
させる手段が部分的に形成される。

棒状磁石はSmCo₅からなるのが好ましく、こ
の物質は顕著なマクロ的磁気異方性と大きい磁気
的剛性を有する。

軸方向磁場の減少の影響を増加させまたは空間
的に変形させるために、エンクロージヤの外部に
て該エンクロージヤと結合されかつ抽出孔と同じ
レベルに設けられる鉄製シードルが好ましく用い
られる。このシールドの対称軸は磁場の群の対称
軸と一致する。

（発明の構成及び作用） 第１図は本発明の実施例の電子サイクロトロン
共鳴イオン源の長手方向断面図である。このイオ
ン源は共鳴空洞を構成するシールされた閉じ込め
エンクロージヤ２を含む。エンクロージヤ２はパ
イプ４により真空ポンプ５に連結されている。真
空ポンプ５はエンクロージヤ２内に高真空を発生
させる。エンクロージヤ２はジエネレータ６によ
り形成される超高周波電磁場によつて励起され
る。この電磁場は導波管８によりエンクロージヤ
２内に導入される。イオン化可能な気体がパイプ
１０によりエンクロージヤ２内に導入される。

エンクロージヤ２のまわりに配されている参照
符号１２で示されているようなコイルは、エンク
ロージヤ２内に局所的磁場を形成する。この局所
的磁場は矢印１６で表わされており、エンクロー
ジヤ２の対称軸である軸１８と平行になつてい
る。同様に、空洞のまわりに配された複数の棒状
磁石２０は、軸１８に関して動径方向に位置し矢
印２２により表わされる動径方向の局所的磁場を
発生する。この軸方向及び動径方向の局所的な磁
場の群は軸１８を対称軸として有しているので、
エンクロージヤ２の壁と接触しない参照符号２３
（局所的磁場の大きさが動じ値を有する地点）で
示されるごとき閉じた複数の等磁気面を形成す
る。既に述べたように、電子サイクロトロン共鳴
条件はこれらの面のうちの１つの上で満たされ
る。

このような共鳴表面（前述の特許明細書参照）
の存在によりエンクロージヤ２内に収容される気
体の激しいイオン化が可能となり、非常に高エネ
ルギの電子プラズマが生成できる。この共鳴表面
は気体のイオン化により生じるイオン及び電子の
閉じ込めを可能にする。この閉じ込めの結果、生
成した電子は数度に亘つて同じイオンに衝突しか
つ全体としてイオン化させる時間を持つようにな
る。

この共鳴表面が非常に有効なイオンポンピング
を可能とすることは基本的に重要である。イオン
ポンピングは共鳴表面により定められた体積内で
の破壊的な中性原子−イオン電荷交換衝突を制限
する。

このようにして生成された大きくチヤージ（荷
電）したイオンあるいはマルチチヤージしたイオ
ンは、供給電源２８により負の電位となる電極２
６により抽出される。このためエンクロージヤ２
は対称軸１８上に抽出用孔２４を有している。こ
のようにしてエンクロージヤ２から抽出されるイ
オンは磁場及び／又は電場を用いた周知の手段に
よりイオン化の度合いの関数として選択される。

共鳴表面と抽出用孔との間の電荷交換衝突の破
壊的効果を最小にするため、本発明は抽出用孔２
４の近傍、特に対称軸１８付近でイオンの流れに
そつて抽出用孔２４の下流及びわずかに上流にお
ける局所的な軸方向磁場の振幅の低減を提案す
る。ここで下流とは第１図で孔２４の左側であ
り、上流は孔２４の右側である。この局所的な軸
方向磁場の低減は、外部へ最も近くかつ壁と交差
しない等磁気面２３内に閉じ込められた電子プラ
ズマにより占められた体積の外側でなされる。そ
の結果、等磁気面の形状及び位置のあらゆる変形
が防止できる。

この局所的な軸方向磁場の低減は、複数の結合
された単位マグネツト３０から作られた棒状磁石
２０を用いて好ましくなされる。単位マグネツト
３０はSmCo₅から作られるのが好ましい。異な
つた棒状磁石２０の終端の単位マグネツト３０ａ
は、同じ極性を有する抽出用孔２４と同じレベル
となる。極性はこの場合、第１図及び第２図に示
すようにＮ極である。従来技術のイオン源では終
端の単位マグネツトの極性は交互にＮとＳになつ
ていた。単位マグネツト３０ａの一様な極性は、
マグネツト３０ａの近傍、すなわち抽出用孔２４
の近傍に設けられたコイル１２の面と同じ極性で
なければならない（第１図）。

単位マグネツト３０ａの均一な極性により幾つ
かの等磁気キヤツプ３２の形成が可能となり、該
等磁気キヤツプ３２上で電子サイクロトロン条件
が満たされる。これらの等磁気キヤツプ３２の寸
法、すなわち有効性はコイル１２により形成され
る局所的な動径方向の磁場の振幅をわずかに変化
させることにより修正できる。

等磁気キヤツプ３２の数は棒状磁石２０の数に
依存する。2n個の棒状磁石の使用によりｎ個の
等磁気キヤツプの形成が可能となる。第２図に示
すケースではｎは３となる。イオン抽出領域にあ
るこれらの等磁位キヤツプ３２は特に抽出用孔２
４の近くのエンクロージヤ２の壁のところで生じ
る中性原子とイオンとの再結合を最小とする。

そして、軸方向磁場の局所的な減少により得ら
れたこれらの等磁気キヤツプ３２は、これらの表
面の電子サイクロトロン共鳴の結果、通常抽出用
孔２４のところに存在する中性原子を少なくとも
一度イオン化するために比較的高エネルギの電子
プラズマを局所的に生成する。

第２図において、領域３２は本実施例により軸
方向の局所的磁場の減少が実現される領域を表わ
す。

なお、第２図にて、斜線領域３３は破壊的イオ
ン電荷交換に対して責任のある中性原子を形成す
るための領域を示す。

居所的な動径方向の磁場２２を形成する棒状磁
石２０の構造体の作用による、抽出用孔２４にお
ける局所的な軸方向磁場１６（第１図）の振幅の
低減の可能性は、棒状磁石２０がやむを得ない磁
気漏洩を考慮に入れてそれらの端部にて軸方向磁
場成分を形成することに基づく。

第３図は棒状磁石２０の両端部に形成される軸
方向の漏洩磁場の磁気力線を示す。これらの磁気
力線は参照符号３４で示す。抽出用孔２４におい
てこれらと同一特製（Ｎ極）を有する終端単位マ
グネツト３０ａの使用により、軸方向の漏洩磁気
力線３４ａの方向を考慮に入れて、対称軸１８の
外側で抽出用孔２４の近傍及び少し上流並びに抽
出用孔２４の下流に位置する全体積の中で、コイ
ル１２により主として形成される軸方向磁場を局
所的にかなり低減することが可能となる。抽出用
孔２４と同じレベルにある弱い軸方向磁場領域に
は参照符号３５が付されている。

同様に、終端単位マグネツト３０ａの使用によ
り、軸方向の漏洩磁気力線３４ｂの方向に留意し
て、抽出用孔２４の上流及び抽出用孔２４から離
間している、コイル１２により形成される軸方向
磁場を減少させることが可能となる。この軸方向
磁場の全体的減少は共鳴等磁気面２３をイオン抽
出領域から移動させ、従つて等磁気面２３がエン
クロージヤ２の壁と接触するリスクが減少する。

単位マグネツト３０ａにより既に達成されてい
る軸方向磁場の低減の効果を増加するためにある
いは空間的に修正するために、第４図に示すよう
に鉄製シール３６をエンクロージヤ２の外側でか
つ抽出用孔２４と同じレベルでエンクロージヤ２
に連結することができる。鉄製シールド３６の対
称軸は対称軸１８と一致する。このシールド３６
により抽出用孔２４の下流の局所的軸方向磁場、
特に対称軸１８上の局所的軸方向磁場の低減を大
きくすることが可能である。シールド３６は共鳴
等磁気キヤツプ３２の形成及び位置決めに寄与す
る。なお、シールド３６のみを使用し、同じ極性
の終端単位マグネツト３０ａを使用しなければ共
鳴等磁気キヤツプ３２は形成できない。第４図の
曲線ａ及びｂはそれぞれシールド３６を使用した
場合と使用しない場合の対称軸１８上の磁場の振
幅を示す。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、イオン
と中性原子との衝突による再結合の影響を最小化
することができるとともに、別の超高周波ジエネ
レータの使用が不要になるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のイオン源の長手方向断面図、
第２図は第１図のイオン源からイオンを抽出する
ための孔と同じレベルにてイオン源を示す図、第
３図は局所的な磁場の分布を示す第１図に相当す
る図、第４図は鉄製シールドがイオン源の対称軸
に沿う軸方向磁場の振幅の変化に及ぼす影響を説
明するための図である。 ２……エンクロージヤ、６……ジエネレータ、
１２……コイル、１８……局所的磁場、１８……
対称軸、２０……棒状磁石、２２……局所的磁
場、２３……等磁気面、２４……抽出用孔、３０
…単位マグネツト、３２……等磁気キヤツプ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ プラズマを生成するための気体を収容し、生
   成されたプラズマを閉じ込めるための封止された
   エンクロージヤと、該エンクロージヤ内に高周波
   電磁場を形成する手段と、電子サイクロトロン共
   鳴により生成されるプラズマの閉じ込めを可能と
   し、そのうちの１つにおいて共鳴条件がみたされ
   るごとき、局所的磁場の振幅が同じ値をもつ複数
   の等磁気面を定めかつ対称軸を有する軸方向およ
   び同形方向の局所的磁場の群を前記エンクロージ
   ヤ内に形成する手段と、前記対称軸上に前記エン
   クロージヤの壁に形成された孔を介してイオンを
   抽出する手段とを有するマルチチヤージイオン源
   において、 閉じ込められたプラズマが占める体積の外側で
   あつて、前記対称軸の外側に位置する複数個の小
   領域内で前記孔の近傍およびイオンの流れにそつ
   てわずかに上流並びに前記孔の下流の全体積にお
   ける局所的な軸方向磁場の大きさを減少させる手
   段を有することを特徴とするマルチチヤージイオ
   ン源。 ２ 局所的な動径方向の磁場が前記エンクロージ
   ヤのまわりに対称的に配された複数の棒状磁石に
   より形成され、各棒状磁石は複数の単位マグネツ
   トより構成され、前記棒状磁石の終端単位マグネ
   ツトが同じ極性を有する抽出用孔と同じレベルに
   設けられ、その結果前記局所的な軸方向磁場の大
   きさを減少させる手段が部分的に形成されること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のマル
   チチヤージイオン源。 ３ 鉄製シールドを有し、該シールドの対称軸が
   前記局所的磁場の群の対称軸と一致し、該シール
   ドが前記エンクロージヤの外側でかつ前記孔と同
   じレベルで前記エンクロージヤと連結されている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の
   マルチチヤージイオン源。 ４ 前記棒状磁石がSmCo₅よりなることを特徴
   とする特許請求の範囲第２項に記載のマルチチヤ
   ージイオン源。