JPH07142020A - 電子ビーム励起負イオン源及び負イオン発生方法 - Google Patents
電子ビーム励起負イオン源及び負イオン発生方法Info
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- JPH07142020A JPH07142020A JP5291061A JP29106193A JPH07142020A JP H07142020 A JPH07142020 A JP H07142020A JP 5291061 A JP5291061 A JP 5291061A JP 29106193 A JP29106193 A JP 29106193A JP H07142020 A JPH07142020 A JP H07142020A
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E30/10—Nuclear fusion reactors
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- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 効率よく大量の負イオンを安定的に発生させ
ることができ、低コストで連続運転可能な電子ビーム励
起負イオン源及び負イオン発生方法を提供する。 【構成】 電子ビーム発生機構１０の陰極１２と陽極１
４との間に放電を生じさせてプラズマを発生させる。そ
して、加速電極１５に印加された加速電圧によって、こ
のプラズマから電子を引き出し、加速して電子ビームを
発生させる。水素プラズマ室３０においては、水素ガス
導入口３１から水素ガスを導入するとともに、排気口３
２から排気を行って、内部を所定圧力の水素ガス雰囲気
に設定しておく。
ることができ、低コストで連続運転可能な電子ビーム励
起負イオン源及び負イオン発生方法を提供する。 【構成】 電子ビーム発生機構１０の陰極１２と陽極１
４との間に放電を生じさせてプラズマを発生させる。そ
して、加速電極１５に印加された加速電圧によって、こ
のプラズマから電子を引き出し、加速して電子ビームを
発生させる。水素プラズマ室３０においては、水素ガス
導入口３１から水素ガスを導入するとともに、排気口３
２から排気を行って、内部を所定圧力の水素ガス雰囲気
に設定しておく。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ＮＢＩ加熱用の高速の
中性粒子の発生等に利用される負イオン源及び負イオン
発生方法に係り、特に電子ビーム励起による負イオン源
及び負イオン発生方法に関する。
中性粒子の発生等に利用される負イオン源及び負イオン
発生方法に係り、特に電子ビーム励起による負イオン源
及び負イオン発生方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】磁場の影響を受けない中性粒子を照射し
てプラズマを加熱するＮＢＩ加熱は、磁場閉じ込め型の
核融合プラズマを加熱する方法として最も確立された方
法である。
てプラズマを加熱するＮＢＩ加熱は、磁場閉じ込め型の
核融合プラズマを加熱する方法として最も確立された方
法である。
【０００３】また、一般にこのような高速の中性粒子を
発生させる方法としては、必要なエネルギーまで加速し
たイオンを、中性化セル（例えば内部に同種のガスが充
填されたガス中性化セル）に通す方法が用いられてい
る。高速イオンが中性化セルによって中性粒子に変換さ
れる割合が中性化効率であり、この中性化効率がＮＢＩ
加熱における総合効率に大きく影響する。
発生させる方法としては、必要なエネルギーまで加速し
たイオンを、中性化セル（例えば内部に同種のガスが充
填されたガス中性化セル）に通す方法が用いられてい
る。高速イオンが中性化セルによって中性粒子に変換さ
れる割合が中性化効率であり、この中性化効率がＮＢＩ
加熱における総合効率に大きく影響する。
【０００４】上記中性化効率は、水素の正イオン
（Ｈ+ ）を用いた場合、イオンビームのビームエネルギ
ーに依存し、ビームエネルギーの上昇に伴って急激に低
下する。このため、例えば 100 KeV／核子の場合でも、
中性化効率は20％以下となってしまう。
（Ｈ+ ）を用いた場合、イオンビームのビームエネルギ
ーに依存し、ビームエネルギーの上昇に伴って急激に低
下する。このため、例えば 100 KeV／核子の場合でも、
中性化効率は20％以下となってしまう。
【０００５】これに対して、負イオン（例えば、Ｈ- 、
Ｄ- ）の場合には、ガス中性化セルの場合でも60％程度
の中性化効率を維持し、しかもエネルギー依存性がほと
んどない。また、プラズマを用いたプラズマ中性化セル
では80〜90％、レーザーによる電子の光脱離を利用する
光中性化セルでは95％以上の高い中性化効率を得られ
る。
Ｄ- ）の場合には、ガス中性化セルの場合でも60％程度
の中性化効率を維持し、しかもエネルギー依存性がほと
んどない。また、プラズマを用いたプラズマ中性化セル
では80〜90％、レーザーによる電子の光脱離を利用する
光中性化セルでは95％以上の高い中性化効率を得られ
る。
【０００６】このため、従来から水素負イオン及び重水
素負イオン（以下、単に水素負イオンという。）を効率
よく発生させる装置及び方法の検討がなされている。
素負イオン（以下、単に水素負イオンという。）を効率
よく発生させる装置及び方法の検討がなされている。
【０００７】Ｈ- 生成には、振動励起分子Ｈ
2 （ｖ”）、高速電子（フィラメントから飛び出す一次
電子）ｅf 、低速のプラズマ電子ｅが関与し、次の２段
階過程が主要なＨ- 生成機構であると考えられている。
2 （ｖ”）、高速電子（フィラメントから飛び出す一次
電子）ｅf 、低速のプラズマ電子ｅが関与し、次の２段
階過程が主要なＨ- 生成機構であると考えられている。
【０００８】 Ｈ2 （基底状態ｖ”＝０）＋ｅf （40ev以上） →Ｈ2 * （電子励起状態）＋ｅf ´ ……（１ａ） Ｈ2 * →Ｈ2 （ｖ”）＋ｈν（真空紫外放射） ……（１ｂ） Ｈ2 * （有効な振動準位ｖ”≧５〜６）＋ｅ（電子温度＝１eV程度） →Ｈ- ＋Ｈ ……（２） この反応の特徴は電子衝突励起によるＨ2 * （ｖ”）生
成過程（１）と解離付着反応による（２）のそれぞれに
最適な電子のエネルギーが大きく異なることである。
成過程（１）と解離付着反応による（２）のそれぞれに
最適な電子のエネルギーが大きく異なることである。
【０００９】ところでＨ- の結合エネルギーは低いので
（約0.75ev）、付着した余分の電子は簡単にはぎ取られ
Ｈ- は消滅する。消滅過程には、 Ｈ- ＋ｅ→Ｈ＋２ｅ ……（３） Ｈ- ＋ｅf →Ｈ＋ｅf ＋ｅ ……（４） 等の反応過程が考えられ、２〜３eV以上の電子に対して
その衝突断面積が急激に大きくなる。したがって負イオ
ンの消滅を抑える点では、電子温度は低い（１eV）方が
望ましい。
（約0.75ev）、付着した余分の電子は簡単にはぎ取られ
Ｈ- は消滅する。消滅過程には、 Ｈ- ＋ｅ→Ｈ＋２ｅ ……（３） Ｈ- ＋ｅf →Ｈ＋ｅf ＋ｅ ……（４） 等の反応過程が考えられ、２〜３eV以上の電子に対して
その衝突断面積が急激に大きくなる。したがって負イオ
ンの消滅を抑える点では、電子温度は低い（１eV）方が
望ましい。
【００１０】上述のように２段階過程によるＨ- 生成に
直接関係する素過程（１）と（２）、Ｈ- 消滅に大きく
影響する電子衝突による脱離過程（３）と（４）は何れ
も電子との衝突過程であるが、それぞれ異なった電子エ
ネルギー依存性を持っており、その最適値は大きくずれ
ている。従って、負イオン密度を高める最も良い方法
は、イオン源をＨ2 * （ｖ”）生成域とＨ- 生成域との
２つの領域に分離して、それぞれの領域で電子エネルギ
ー分布を最適化することである。この方法をタンデム方
式といい、体積生成型負イオン源のほとんどがこの方式
を採用している。
直接関係する素過程（１）と（２）、Ｈ- 消滅に大きく
影響する電子衝突による脱離過程（３）と（４）は何れ
も電子との衝突過程であるが、それぞれ異なった電子エ
ネルギー依存性を持っており、その最適値は大きくずれ
ている。従って、負イオン密度を高める最も良い方法
は、イオン源をＨ2 * （ｖ”）生成域とＨ- 生成域との
２つの領域に分離して、それぞれの領域で電子エネルギ
ー分布を最適化することである。この方法をタンデム方
式といい、体積生成型負イオン源のほとんどがこの方式
を採用している。
【００１１】従来の水素負イオンの発生装置としては、
図１１及び図１２に示すようなバケット型（フィラメン
トタイプ）のイオン源が知られている。これらの図に示
される装置は、水素プラズマ室１内に設けられたフィラ
メント（陰極）２と、水素プラズマ室１壁（陽極）との
間のアーク放電によりプラズマを生成する。水素プラズ
マ室１外周部には永久磁石を並べて直線カスプ磁場が構
成され、フィラメント２からの高速一次電子並びに生成
プラズマの磁場閉じ込めが効率良く行われている。
図１１及び図１２に示すようなバケット型（フィラメン
トタイプ）のイオン源が知られている。これらの図に示
される装置は、水素プラズマ室１内に設けられたフィラ
メント（陰極）２と、水素プラズマ室１壁（陽極）との
間のアーク放電によりプラズマを生成する。水素プラズ
マ室１外周部には永久磁石を並べて直線カスプ磁場が構
成され、フィラメント２からの高速一次電子並びに生成
プラズマの磁場閉じ込めが効率良く行われている。
【００１２】また、チャンバ１内には磁気フィルタ３が
設けられている。磁気フィルタ３は、局在した横又は縦
磁場からなり、例えば、パイプ中に永久磁石を詰めたロ
ッドを間隔を設けて配列して構成されている。ロッド間
の中心磁場強度は50〜70ガウスであり、イオンは磁化さ
れず、電子のみが磁化される程度の強さとされている。
この磁気フィルタ３には、高速電子を選択的に反射して
低速電子のみを透過させる働きがある。このため、チャ
ンバ１内は、熱フィラメント２から飛び出した高速一次
電子によるプラズマ生成とＨ2 * （ｖ”）生成が行われ
るソース領域１ａと高速電子が遮断されて電子温度Ｔe
の低い（１eV以下）Ｈ- 生成領域１ｂの２つに空間的に
分離される。なお、図１１及び図１２において、４はイ
オン引き出しのための電極である。
設けられている。磁気フィルタ３は、局在した横又は縦
磁場からなり、例えば、パイプ中に永久磁石を詰めたロ
ッドを間隔を設けて配列して構成されている。ロッド間
の中心磁場強度は50〜70ガウスであり、イオンは磁化さ
れず、電子のみが磁化される程度の強さとされている。
この磁気フィルタ３には、高速電子を選択的に反射して
低速電子のみを透過させる働きがある。このため、チャ
ンバ１内は、熱フィラメント２から飛び出した高速一次
電子によるプラズマ生成とＨ2 * （ｖ”）生成が行われ
るソース領域１ａと高速電子が遮断されて電子温度Ｔe
の低い（１eV以下）Ｈ- 生成領域１ｂの２つに空間的に
分離される。なお、図１１及び図１２において、４はイ
オン引き出しのための電極である。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の装置では、以下のような問題がある。
た従来の装置では、以下のような問題がある。
【００１４】すなわち、まず、従来の装置では、水素ガ
スから水素負イオン（Ｈ- ）生成の前段階である励起状
態の水素分子（Ｈ2 * ）を生成する効率の高い40eV以上
の高速電子の割合が少ない（１％程度）ため、大電流
（数百Ａ）のアーク放電が必要となり、効率が悪い。ま
た、熱負荷が大きいため、真空チャンバ及び負イオン加
速部の冷却が大変であり、さらに熱負荷に耐えられない
ため連続運転が困難である。
スから水素負イオン（Ｈ- ）生成の前段階である励起状
態の水素分子（Ｈ2 * ）を生成する効率の高い40eV以上
の高速電子の割合が少ない（１％程度）ため、大電流
（数百Ａ）のアーク放電が必要となり、効率が悪い。ま
た、熱負荷が大きいため、真空チャンバ及び負イオン加
速部の冷却が大変であり、さらに熱負荷に耐えられない
ため連続運転が困難である。
【００１５】また、プラズマ生成効率が低いため、水素
ガス圧を高くしないと実用的なＨ-量を引き出せない
が、水素ガス圧が高くなると装置の排気容量が大きくな
るばかりでなく、Ｈ- 引き出し部やＨ- 加速部での残留
ガスとの衝突により、Ｈ- の中性化が起こり、Ｈ- が消
滅してしまうため、効率よく大量のＨ- を発生させるこ
とができない。
ガス圧を高くしないと実用的なＨ-量を引き出せない
が、水素ガス圧が高くなると装置の排気容量が大きくな
るばかりでなく、Ｈ- 引き出し部やＨ- 加速部での残留
ガスとの衝突により、Ｈ- の中性化が起こり、Ｈ- が消
滅してしまうため、効率よく大量のＨ- を発生させるこ
とができない。
【００１６】また、フィラメント加熱のための電流が大
きく、大電流の放電を必要とするため、フィラメントの
寿命が短くなり、メンテナンスコストが増大するととも
に連続運転が困難となる。
きく、大電流の放電を必要とするため、フィラメントの
寿命が短くなり、メンテナンスコストが増大するととも
に連続運転が困難となる。
【００１７】消耗したフィラメント材料がプラズマ中に
不純物として混入し、電極上に不純物として堆積して、
動作不良（プラズマ不安定、絶縁不良）を引き起こす。
不純物として混入し、電極上に不純物として堆積して、
動作不良（プラズマ不安定、絶縁不良）を引き起こす。
【００１８】本発明は、かかる従来の事情に対処してな
されたもので、効率よく大量の負イオンを安定的に発生
させることができ、低コストで連続運転可能な電子ビー
ム励起負イオン源及び負イオン発生方法を提供しようと
するものである。
されたもので、効率よく大量の負イオンを安定的に発生
させることができ、低コストで連続運転可能な電子ビー
ム励起負イオン源及び負イオン発生方法を提供しようと
するものである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】すなわち、請求項１記載
の発明は、プラズマ発生領域で発生させたプラズマから
電子を引き出して加速し、電子ビームを発生させる電子
ビーム発生機構と、負イオンを生成するガスのガス供給
機構を有し、このガス供給機構から供給されたガスに、
前記電子ビーム発生機構で発生させた電子ビームを照射
して負イオンを発生させるプラズマ室と前記プラズマ室
内から負イオンを引き出す引き出し機構とを具備したこ
とを特徴とする電子ビーム励起負イオン源。
の発明は、プラズマ発生領域で発生させたプラズマから
電子を引き出して加速し、電子ビームを発生させる電子
ビーム発生機構と、負イオンを生成するガスのガス供給
機構を有し、このガス供給機構から供給されたガスに、
前記電子ビーム発生機構で発生させた電子ビームを照射
して負イオンを発生させるプラズマ室と前記プラズマ室
内から負イオンを引き出す引き出し機構とを具備したこ
とを特徴とする電子ビーム励起負イオン源。
【００２０】請求項２記載の発明は、前記電子ビーム発
生機構は、電子を加速するための加速電圧をパルス状に
印加する電源を具備したことを特徴とする請求項１記載
の電子ビーム励起負イオン源。
生機構は、電子を加速するための加速電圧をパルス状に
印加する電源を具備したことを特徴とする請求項１記載
の電子ビーム励起負イオン源。
【００２１】請求項３記載の発明は、高速電子を反射
し、低速電子を通過させる磁気フィルタが前記プラズマ
室内に配置されていることを特徴とする請求項１〜２い
ずれか１項記載の電子ビーム励起負イオン源。
し、低速電子を通過させる磁気フィルタが前記プラズマ
室内に配置されていることを特徴とする請求項１〜２い
ずれか１項記載の電子ビーム励起負イオン源。
【００２２】請求項４記載の発明は、前記プラズマ室内
に磁場を形成し、前記電子ビーム発生機構からの高速電
子の動きを制限することにより、プラズマ室内に高速電
子が多く存在する領域を形成する磁場形成機構を具備し
たことを特徴とする請求項１〜２いずれか１項記載の電
子ビーム励起負イオン源。
に磁場を形成し、前記電子ビーム発生機構からの高速電
子の動きを制限することにより、プラズマ室内に高速電
子が多く存在する領域を形成する磁場形成機構を具備し
たことを特徴とする請求項１〜２いずれか１項記載の電
子ビーム励起負イオン源。
【００２３】請求項５記載の発明は、前記プラズマ室内
に磁場を形成し、前記電子ビーム発生機構からの高速電
子を板状の領域に閉じ込める磁場形成機構を具備したこ
とを特徴とする請求項１〜２いずれか１項記載の電子ビ
ーム励起負イオン源。
に磁場を形成し、前記電子ビーム発生機構からの高速電
子を板状の領域に閉じ込める磁場形成機構を具備したこ
とを特徴とする請求項１〜２いずれか１項記載の電子ビ
ーム励起負イオン源。
【００２４】請求項６記載の発明は、前記電子ビーム発
生機構からの高速電子を板状の領域に発生させるスリッ
ト状の電子ビーム加速電極を具備したことを特徴とする
請求項１〜２いずれか１項記載の電子ビーム励起負イオ
ン源。
生機構からの高速電子を板状の領域に発生させるスリッ
ト状の電子ビーム加速電極を具備したことを特徴とする
請求項１〜２いずれか１項記載の電子ビーム励起負イオ
ン源。
【００２５】請求項７記載の発明は、前記電子ビーム発
生機構を複数具備したことを特徴とする請求項１〜６い
ずれか１項記載の電子ビーム励起負イオン源。
生機構を複数具備したことを特徴とする請求項１〜６い
ずれか１項記載の電子ビーム励起負イオン源。
【００２６】請求項８記載の発明は、前記負イオンを生
成するガスは、水素ガスであることを特徴とする請求項
１記載の電子ビーム励起負イオン源。
成するガスは、水素ガスであることを特徴とする請求項
１記載の電子ビーム励起負イオン源。
【００２７】請求項９記載の発明は、放電によって発生
させたプラズマから電子を引き出し加速して電子ビーム
を発生させ、この電子ビームを、負イオンを生成するガ
ス雰囲気とされたプラズマ室内に照射するとともに、プ
ラズマ室内に磁場を形成してこのプラズマ室内を高速電
子の多く存在する領域と低速電子の多く存在する領域と
に分離することを特徴とする電子ビーム励起負イオン発
生方法。
させたプラズマから電子を引き出し加速して電子ビーム
を発生させ、この電子ビームを、負イオンを生成するガ
ス雰囲気とされたプラズマ室内に照射するとともに、プ
ラズマ室内に磁場を形成してこのプラズマ室内を高速電
子の多く存在する領域と低速電子の多く存在する領域と
に分離することを特徴とする電子ビーム励起負イオン発
生方法。
【００２８】請求項１０記載の発明は、プラズマ室内に
負イオンを生成するガスを供給するとともに、 放電に
よって発生させたプラズマからパルス状に電子を引き出
し加速して発生させたパルス状の電子ビームを、前記プ
ラズマ室内のガスに照射することを特徴とする電子ビー
ム励起負イオン発生方法。
負イオンを生成するガスを供給するとともに、 放電に
よって発生させたプラズマからパルス状に電子を引き出
し加速して発生させたパルス状の電子ビームを、前記プ
ラズマ室内のガスに照射することを特徴とする電子ビー
ム励起負イオン発生方法。
【００２９】請求項１１記載の発明は、プラズマ室内に
負イオンを生成するガスを供給して、該プラズマ室内の
圧力を高圧に維持するとともに、放電によって発生させ
たプラズマから電子を引き出し加速して発生させた電子
ビームを、前記プラズマ室内のガスに照射することを特
徴とする電子ビーム励起負イオン発生方法。
負イオンを生成するガスを供給して、該プラズマ室内の
圧力を高圧に維持するとともに、放電によって発生させ
たプラズマから電子を引き出し加速して発生させた電子
ビームを、前記プラズマ室内のガスに照射することを特
徴とする電子ビーム励起負イオン発生方法。
【００３０】請求項１２記載の発明は、前記負イオンを
生成するガスは、水素ガスであることを特徴とする請求
項９〜１１いずれか１項記載の電子ビーム励起負イオン
発生方法。
生成するガスは、水素ガスであることを特徴とする請求
項９〜１１いずれか１項記載の電子ビーム励起負イオン
発生方法。
【００３１】
【作用】上記構成の本発明の電子ビーム励起負イオン源
及び負イオン発生方法では、高速の電子を大量に水素ガ
ス等の負イオンを生成するガスに照射することができ、
効率よく大量の負イオンを安定的に発生させることがで
きる。したがって、熱的な負荷も少なく、低コストで、
かつ、長時間に亘って連続運転を行うことができる。
及び負イオン発生方法では、高速の電子を大量に水素ガ
ス等の負イオンを生成するガスに照射することができ、
効率よく大量の負イオンを安定的に発生させることがで
きる。したがって、熱的な負荷も少なく、低コストで、
かつ、長時間に亘って連続運転を行うことができる。
【００３２】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。
明する。
【００３３】図１は、本発明の一実施例の電子ビーム励
起負イオン源の構成を示すもので、同図において１０は
電子ビーム発生機構である。
起負イオン源の構成を示すもので、同図において１０は
電子ビーム発生機構である。
【００３４】この電子ビーム発生機構１０は、円筒状に
形成された気密容器１１を具備しており、この気密容器
１１内には、陰極１２、補助電極１３、陽極１４、加速
電極１５が、この順で配置されている。また、陰極１２
の近傍には、所定のプラズマ生成用ガス、例えば、水素
ガスあるいはアルゴンガスを導入するためのガス導入口
１６が設けられており、陽極１４と加速電極１５との間
には、図示しない排気ポンプに接続された排気口１７が
設けられている。さらに、気密容器１１の外側には、コ
イル１８が配設されており、気密容器１１の軸方向に沿
って、電子をガイドするための磁場を形成するよう構成
されている。
形成された気密容器１１を具備しており、この気密容器
１１内には、陰極１２、補助電極１３、陽極１４、加速
電極１５が、この順で配置されている。また、陰極１２
の近傍には、所定のプラズマ生成用ガス、例えば、水素
ガスあるいはアルゴンガスを導入するためのガス導入口
１６が設けられており、陽極１４と加速電極１５との間
には、図示しない排気ポンプに接続された排気口１７が
設けられている。さらに、気密容器１１の外側には、コ
イル１８が配設されており、気密容器１１の軸方向に沿
って、電子をガイドするための磁場を形成するよう構成
されている。
【００３５】なお、同図において１９、２０、２１はそ
れぞれ陰極用電源、放電電源、加速電源である。また、
図中、陰極１２と陽極１４との間が放電領域、陽極１４
と加速電極１５との間が加速領域となっている。
れぞれ陰極用電源、放電電源、加速電源である。また、
図中、陰極１２と陽極１４との間が放電領域、陽極１４
と加速電極１５との間が加速領域となっている。
【００３６】上記電子ビーム発生機構１０は、真空容器
（水素プラズマ室）３０に接続されている。この水素プ
ラズマ室３０は、水素ガス導入口３１及び排気口３２を
具備しており、内部を所望圧力の水素ガス雰囲気に設定
可能に構成されている。また、水素プラズマ室３０の内
部には、磁気フィルタ３３及びイオン引き出し用の電極
３４、３５が配設されており、水素プラズマ室３０の外
部には、多極磁場を形成するための磁石３６及び逆磁場
形成コイル３７が配設されている。なお、電極３４はフ
ローティング電位に設定され、電極３５は電源３８によ
って正電位に設定される。
（水素プラズマ室）３０に接続されている。この水素プ
ラズマ室３０は、水素ガス導入口３１及び排気口３２を
具備しており、内部を所望圧力の水素ガス雰囲気に設定
可能に構成されている。また、水素プラズマ室３０の内
部には、磁気フィルタ３３及びイオン引き出し用の電極
３４、３５が配設されており、水素プラズマ室３０の外
部には、多極磁場を形成するための磁石３６及び逆磁場
形成コイル３７が配設されている。なお、電極３４はフ
ローティング電位に設定され、電極３５は電源３８によ
って正電位に設定される。
【００３７】上記構成のこの実施例では、電子ビーム発
生機構１０のガス導入口１６から、水素ガスあるいはア
ルゴンガスを導入するとともに、排気口１７から排気を
行って、気密容器１１内を所定の減圧雰囲気とし、陰極
１２と陽極１４との間に放電を生じさせてプラズマを発
生させる。そして、加速電極１５に印加された加速電圧
によって、このプラズマから電子を引き出し、加速して
電子ビームを発生させる。
生機構１０のガス導入口１６から、水素ガスあるいはア
ルゴンガスを導入するとともに、排気口１７から排気を
行って、気密容器１１内を所定の減圧雰囲気とし、陰極
１２と陽極１４との間に放電を生じさせてプラズマを発
生させる。そして、加速電極１５に印加された加速電圧
によって、このプラズマから電子を引き出し、加速して
電子ビームを発生させる。
【００３８】一方、水素プラズマ室３０においては、水
素ガス導入口３１から水素ガスを導入するとともに、排
気口３２から排気を行って、内部を所定圧力の水素ガス
雰囲気に設定しておく。
素ガス導入口３１から水素ガスを導入するとともに、排
気口３２から排気を行って、内部を所定圧力の水素ガス
雰囲気に設定しておく。
【００３９】これによって、電子ビーム発生機構１０か
らの電子ビームが、水素プラズマ室３０内の水素ガスに
照射される。この時、電子ビームは、逆磁場形成コイル
３７による逆磁場によって、広げられるとともに、磁石
３６による多極磁場によって反射され、水素プラズマ室
３０内に均一な状態で閉じ込められる。また、高速電子
は磁気フィルタ３３によって反射され、低速電子はこの
磁気フィルタ３３を通過するため、磁気フィルタ３３の
一方側（電極３４側）が低速電子の存在領域、反対側
（電子ビーム発生機構１０側）が高速電子の存在領域と
なる。そして、高速電子の存在領域において、励起状態
の水素分子（Ｈ2 * ）が効率よく生成され、低速電子の
存在領域において、励起状態の水素分子からＨ- が効率
よく生成される。
らの電子ビームが、水素プラズマ室３０内の水素ガスに
照射される。この時、電子ビームは、逆磁場形成コイル
３７による逆磁場によって、広げられるとともに、磁石
３６による多極磁場によって反射され、水素プラズマ室
３０内に均一な状態で閉じ込められる。また、高速電子
は磁気フィルタ３３によって反射され、低速電子はこの
磁気フィルタ３３を通過するため、磁気フィルタ３３の
一方側（電極３４側）が低速電子の存在領域、反対側
（電子ビーム発生機構１０側）が高速電子の存在領域と
なる。そして、高速電子の存在領域において、励起状態
の水素分子（Ｈ2 * ）が効率よく生成され、低速電子の
存在領域において、励起状態の水素分子からＨ- が効率
よく生成される。
【００４０】生成されたＨ- 及び電子は、電極３４、３
５を通って引き出され、この後磁場によって電子が偏向
され除去されて、Ｈ- のみが中性化セルに導入される。
５を通って引き出され、この後磁場によって電子が偏向
され除去されて、Ｈ- のみが中性化セルに導入される。
【００４１】ここで、前述したように、水素ガスから励
起状態の水素分子を効率よく生成するためには、40eV以
上の高速電子が必要となる。本実施例においては、加速
電源２１による加速電圧を100Vとした場合でも、40eV以
上の高速電子の割合を約20％とすることができた。この
値は、前述した従来の装置の場合より一桁多い。また、
数十eV（＞40eV）の電子は何度もＨ2 * 生成に寄与する
ことを考慮すれば、本実施例によれば、従来の装置の数
十分の一のアーク電流で、従来と同様なＨ2 *量、Ｈ-
量を得られる。
起状態の水素分子を効率よく生成するためには、40eV以
上の高速電子が必要となる。本実施例においては、加速
電源２１による加速電圧を100Vとした場合でも、40eV以
上の高速電子の割合を約20％とすることができた。この
値は、前述した従来の装置の場合より一桁多い。また、
数十eV（＞40eV）の電子は何度もＨ2 * 生成に寄与する
ことを考慮すれば、本実施例によれば、従来の装置の数
十分の一のアーク電流で、従来と同様なＨ2 *量、Ｈ-
量を得られる。
【００４２】これによって、熱的な負荷が減少し、連続
運転が可能となるとともに、装置の小形化が可能とな
り、また、フィラメント寿命も長期化される。
運転が可能となるとともに、装置の小形化が可能とな
り、また、フィラメント寿命も長期化される。
【００４３】なお、上記実施例では、電子ビーム発生機
構１０を１つのみ設置した場合について説明したが、図
２及び図３に示すように、電子ビーム発生機構１０は２
つあるいはそれ以上設置することもできる。これによっ
て、さらに大量の高速電子を発生させることができ、大
面積化等にも対応できる。
構１０を１つのみ設置した場合について説明したが、図
２及び図３に示すように、電子ビーム発生機構１０は２
つあるいはそれ以上設置することもできる。これによっ
て、さらに大量の高速電子を発生させることができ、大
面積化等にも対応できる。
【００４４】また、図４に示すように、加速電源２１と
して、パルス状に電圧を印加するパルス電源を用いる
と、パルス電圧印加時に発生する高速電子が励起状態の
水素分子（Ｈ2 * ）を効率良く生成する。パルスがオフ
になると高速電子は存在しなくなり、低速電子と寿命の
長いＨ2 * が結合してＨ- が効率良く生成される。この
ため、水素プラズマ室３０内の磁気フィルタ３３を省略
することも可能となり、この場合、磁気フィルタ３３に
よる損失がなくなるので、さらに効率を向上させること
が可能となる。
して、パルス状に電圧を印加するパルス電源を用いる
と、パルス電圧印加時に発生する高速電子が励起状態の
水素分子（Ｈ2 * ）を効率良く生成する。パルスがオフ
になると高速電子は存在しなくなり、低速電子と寿命の
長いＨ2 * が結合してＨ- が効率良く生成される。この
ため、水素プラズマ室３０内の磁気フィルタ３３を省略
することも可能となり、この場合、磁気フィルタ３３に
よる損失がなくなるので、さらに効率を向上させること
が可能となる。
【００４５】また、図５に示すように、水素プラズマ室
３０の外部に配設したコイル４０等で、水素プラズマ室
３０内に強い磁場Ｂを形成すれば、この磁場Ｂの近傍に
高速電子の多い領域を形成することができ、低速電子の
多い領域と分けることができる。
３０の外部に配設したコイル４０等で、水素プラズマ室
３０内に強い磁場Ｂを形成すれば、この磁場Ｂの近傍に
高速電子の多い領域を形成することができ、低速電子の
多い領域と分けることができる。
【００４６】さらに、水素プラズマ室３０内部の圧力を
上昇させれば、図６に示すように、電子ビーム発生機構
１０より、水素プラズマ室３０内に射出された高速電子
が、ガス分子との衝突により、次第にエネルギーを喪失
しながら電極３４、３５の方向へ移行するので、電子ビ
ーム発生機構１０近傍に高速電子の多い領域、電極３４
側に低速電子の多い領域を形成することができる。
上昇させれば、図６に示すように、電子ビーム発生機構
１０より、水素プラズマ室３０内に射出された高速電子
が、ガス分子との衝突により、次第にエネルギーを喪失
しながら電極３４、３５の方向へ移行するので、電子ビ
ーム発生機構１０近傍に高速電子の多い領域、電極３４
側に低速電子の多い領域を形成することができる。
【００４７】また、図７及び図８に示すように、磁石５
０等で、電子ビーム発生機構１０からの電子を薄板状
（シート状）の領域に閉じ込めるようにすれば、薄板状
のプラズマＰを発生させることができる。これによっ
て、平板状の電極３４、３５から均一にＨ- を引き出す
ことができ、空間分布の均一なＨ- を得ることができ
る。このような薄板状のプラズマＰを発生させる構成と
しては、図９及び図１０に示すように、スリット状の開
口１５ａを有する加速電極１５を用いてもよい。
０等で、電子ビーム発生機構１０からの電子を薄板状
（シート状）の領域に閉じ込めるようにすれば、薄板状
のプラズマＰを発生させることができる。これによっ
て、平板状の電極３４、３５から均一にＨ- を引き出す
ことができ、空間分布の均一なＨ- を得ることができ
る。このような薄板状のプラズマＰを発生させる構成と
しては、図９及び図１０に示すように、スリット状の開
口１５ａを有する加速電極１５を用いてもよい。
【００４８】なお、上述した各実施例では、本発明を水
素負イオンの発生に適用した場合について説明したが、
例えば重水素負イオン等他の負イオンに対しても同様に
して適用することが可能である。
素負イオンの発生に適用した場合について説明したが、
例えば重水素負イオン等他の負イオンに対しても同様に
して適用することが可能である。
【００４９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
効率よく大量の負イオンを安定的に発生させることがで
き、低コストで連続運転可能な電子ビーム励起負イオン
源及び負イオン発生方法を提供することができる。
効率よく大量の負イオンを安定的に発生させることがで
き、低コストで連続運転可能な電子ビーム励起負イオン
源及び負イオン発生方法を提供することができる。
【図１】本発明の一実施例の電子ビーム励起水素負イオ
ン発生装置の構成を示す図。
ン発生装置の構成を示す図。
【図２】本発明の他の実施例の電子ビーム励起水素負イ
オン発生装置の構成を示す図。
オン発生装置の構成を示す図。
【図３】本発明の他の実施例の電子ビーム励起水素負イ
オン発生装置の構成を示す図。
オン発生装置の構成を示す図。
【図４】本発明の他の実施例の電子ビーム励起水素負イ
オン発生装置の構成を示す図。
オン発生装置の構成を示す図。
【図５】本発明の他の実施例の電子ビーム励起水素負イ
オン発生装置の構成を示す図。
オン発生装置の構成を示す図。
【図６】本発明の他の実施例の電子ビーム励起水素負イ
オン発生装置の構成を示す図。
オン発生装置の構成を示す図。
【図７】本発明の他の実施例の電子ビーム励起水素負イ
オン発生装置の構成を示す図。
オン発生装置の構成を示す図。
【図８】図７の電子ビーム励起水素負イオン発生装置の
平面構成を示す図。
平面構成を示す図。
【図９】本発明の他の実施例の電子ビーム励起水素負イ
オン発生装置の構成を示す図。
オン発生装置の構成を示す図。
【図１０】図９の電子ビーム励起水素負イオン発生装置
の要部構成を示す図。
の要部構成を示す図。
【図１１】従来の装置の構成を示す図。
【図１２】従来の装置の構成を示す図。
１０ 電子ビーム発生機構 １１ 気密容器 １２ 陰極 １３ 補助電極 １４ 陽極 １５ 加速電極 ３０ 水素プラズマ室 ３１ 水素ガス導入口 ３２ 排気口 ３３ 磁気フィルタ ３３，３４ イオン引き出し用の電極
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０５Ｈ 7/08 9014−2Ｇ (72)発明者 浜垣 学 埼玉県和光市広沢２番１号 理化学研究所 内 (72)発明者 青柳 克信 埼玉県和光市広沢２番１号 理化学研究所 内 (72)発明者 龍治 真 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工業 株式会社明石工場内 (72)発明者 長谷川 猛 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工業 株式会社明石工場内 (72)発明者 東海 正國 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工業 株式会社明石工場内
Claims (12)
- 【請求項１】 プラズマ発生領域で発生させたプラズマ
から電子を引き出して加速し、電子ビームを発生させる
電子ビーム発生機構と、 負イオンを生成するガスのガス供給機構を有し、このガ
ス供給機構から供給されたガスに、前記電子ビーム発生
機構で発生させた電子ビームを照射して負イオンを発生
させるプラズマ室と前記プラズマ室内から負イオンを引
き出す引き出し機構とを具備したことを特徴とする電子
ビーム励起負イオン源。 - 【請求項２】 前記電子ビーム発生機構は、電子を加速
するための加速電圧をパルス状に印加する電源を具備し
たことを特徴とする請求項１記載の電子ビーム励起負イ
オン源。 - 【請求項３】 高速電子を反射し、低速電子を通過させ
る磁気フィルタが前記プラズマ室内に配置されているこ
とを特徴とする請求項１〜２いずれか１項記載の電子ビ
ーム励起負イオン源。 - 【請求項４】 前記プラズマ室内に磁場を形成し、前記
電子ビーム発生機構からの高速電子の動きを制限するこ
とにより、プラズマ室内に高速電子が多く存在する領域
を形成する磁場形成機構を具備したことを特徴とする請
求項１〜２いずれか１項記載の電子ビーム励起負イオン
源。 - 【請求項５】 前記プラズマ室内に磁場を形成し、前記
電子ビーム発生機構からの高速電子を板状の領域に閉じ
込める磁場形成機構を具備したことを特徴とする請求項
１〜２いずれか１項記載の電子ビーム励起負イオン源。 - 【請求項６】 前記電子ビーム発生機構からの高速電子
を板状の領域に発生させるスリット状の電子ビーム加速
電極を具備したことを特徴とする請求項１〜２いずれか
１項記載の電子ビーム励起負イオン源。 - 【請求項７】 前記電子ビーム発生機構を複数具備した
ことを特徴とする請求項１〜６いずれか１項記載の電子
ビーム励起負イオン源。 - 【請求項８】 前記負イオンを生成するガスは、水素ガ
スであることを特徴とする請求項１記載の電子ビーム励
起負イオン源。 - 【請求項９】 放電によって発生させたプラズマから電
子を引き出し加速して電子ビームを発生させ、この電子
ビームを、負イオンを生成するガス雰囲気とされたプラ
ズマ室内に照射するとともに、 プラズマ室内に磁場を形成してこのプラズマ室内を高速
電子の多く存在する領域と低速電子の多く存在する領域
とに分離することを特徴とする電子ビーム励起負イオン
発生方法。 - 【請求項１０】 プラズマ室内に負イオンを生成するガ
スを供給するとともに、 放電によって発生させたプラ
ズマからパルス状に電子を引き出し加速して発生させた
パルス状の電子ビームを、前記プラズマ室内のガスに照
射することを特徴とする電子ビーム励起負イオン発生方
法。 - 【請求項１１】 プラズマ室内に負イオンを生成するガ
スを供給して、該プラズマ室内の圧力を高圧に維持する
とともに、 放電によって発生させたプラズマから電子を引き出し加
速して発生させた電子ビームを、前記プラズマ室内のガ
スに照射することを特徴とする電子ビーム励起負イオン
発生方法。 - 【請求項１２】前記負イオンを生成するガスは、水素ガ
スであることを特徴とする請求項９〜１１いずれか１項
記載の電子ビーム励起負イオン発生方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29106193A JP3366402B2 (ja) | 1993-11-19 | 1993-11-19 | 電子ビーム励起負イオン源及び負イオン発生方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29106193A JP3366402B2 (ja) | 1993-11-19 | 1993-11-19 | 電子ビーム励起負イオン源及び負イオン発生方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07142020A true JPH07142020A (ja) | 1995-06-02 |
| JP3366402B2 JP3366402B2 (ja) | 2003-01-14 |
Family
ID=17763926
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29106193A Expired - Fee Related JP3366402B2 (ja) | 1993-11-19 | 1993-11-19 | 電子ビーム励起負イオン源及び負イオン発生方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3366402B2 (ja) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001058259A (ja) * | 1999-06-18 | 2001-03-06 | Shinko Seiki Co Ltd | 半田付け方法及び半田付け装置 |
| US6511575B1 (en) | 1998-11-12 | 2003-01-28 | Canon Kabushiki Kaisha | Treatment apparatus and method utilizing negative hydrogen ion |
| JP2003028997A (ja) * | 2001-07-18 | 2003-01-29 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | パルス電源 |
| JP2003033049A (ja) * | 2001-07-18 | 2003-01-31 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | パルス電源 |
| JP2012524376A (ja) * | 2009-04-16 | 2012-10-11 | ヴァリアン セミコンダクター イクイップメント アソシエイツ インコーポレイテッド | 幅広リボンビームの生成および制御のための複合型ｉｃｐおよびｅｃｒプラズマ源 |
| EP2426692A3 (en) * | 2000-11-30 | 2013-08-21 | Semequip, Inc. | Ion source |
| CN109671602A (zh) * | 2018-11-15 | 2019-04-23 | 温州职业技术学院 | 基于热电子放电的复合电子源 |
| CN109671601A (zh) * | 2018-11-15 | 2019-04-23 | 温州职业技术学院 | 基于热电子放电的电子源 |
| CN116582997A (zh) * | 2023-05-17 | 2023-08-11 | 中国原子能科学研究院 | 一种长寿命多灯丝强流负氢多峰场离子源 |
| WO2024164857A1 (zh) * | 2023-02-10 | 2024-08-15 | 北京大学 | 电子束电离式离子风装置 |
-
1993
- 1993-11-19 JP JP29106193A patent/JP3366402B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6511575B1 (en) | 1998-11-12 | 2003-01-28 | Canon Kabushiki Kaisha | Treatment apparatus and method utilizing negative hydrogen ion |
| JP2001058259A (ja) * | 1999-06-18 | 2001-03-06 | Shinko Seiki Co Ltd | 半田付け方法及び半田付け装置 |
| EP2426692A3 (en) * | 2000-11-30 | 2013-08-21 | Semequip, Inc. | Ion source |
| JP2003028997A (ja) * | 2001-07-18 | 2003-01-29 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | パルス電源 |
| JP2003033049A (ja) * | 2001-07-18 | 2003-01-31 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | パルス電源 |
| JP2012524376A (ja) * | 2009-04-16 | 2012-10-11 | ヴァリアン セミコンダクター イクイップメント アソシエイツ インコーポレイテッド | 幅広リボンビームの生成および制御のための複合型ｉｃｐおよびｅｃｒプラズマ源 |
| CN109671602A (zh) * | 2018-11-15 | 2019-04-23 | 温州职业技术学院 | 基于热电子放电的复合电子源 |
| CN109671601A (zh) * | 2018-11-15 | 2019-04-23 | 温州职业技术学院 | 基于热电子放电的电子源 |
| CN109671602B (zh) * | 2018-11-15 | 2021-05-21 | 温州职业技术学院 | 基于热电子放电的复合电子源 |
| CN109671601B (zh) * | 2018-11-15 | 2021-06-15 | 温州职业技术学院 | 基于热电子放电的电子源 |
| WO2024164857A1 (zh) * | 2023-02-10 | 2024-08-15 | 北京大学 | 电子束电离式离子风装置 |
| CN116582997A (zh) * | 2023-05-17 | 2023-08-11 | 中国原子能科学研究院 | 一种长寿命多灯丝强流负氢多峰场离子源 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3366402B2 (ja) | 2003-01-14 |
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