JPS6041735A - 電子サイクロトロン共鳴イオン源 - Google Patents

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】 本発明はＬに子サイクロトロン共振イオン源に１関する
ものである。それ＆エゴ出出されるイオンの運！助のエ
ネルギの異なる領の関数としてのいろいろな応用を有す
るとともに、薄層スパッタ、マイクロエッチ、イオン注
入、幕解原子炉のプラズマの関連中性子による加熱、タ
ンデム加速器、ノンクロッ−イクロトロンｌよどに使用
される。

電子プーイクロトロン共低イオン源では、イオンは空洞
に作られる尚周ｆ皮電轍界と前記空洞内で顕著な合成磁
界との組合せ作用の結果として、超簡周波窒洞内に含ま
れる気体または固体の蒸気を強く′電離することによつ
℃作られる。また磁界は電子サイクロトロン共振条件Ｂ
ｒ＝　ｆ、２ｒ−をイ）蛸足ずる像幅Ｂｒを何するが、
ただしｍは電子の質重、ｅはその１荷、ｆは電磁界の周
波数である。この共ｉｋ＆工作られた゛電子を強く加速
させることかでき、したがって気体または蒸気の中性原
子に加わる制゛＄によって、後者を強く電離させること
ができる。

ブイクロトロン共振源の作！１ｊＩｌハ、本出願人の名
で出願された米国特許第４，４１７，１７８号に詳しく
説明されている。

例えばパークリ（Ｂｅｒｃｋｅｌｅｙ　）　（１９７４
年１０月）の「イオン源およびイオン・ビーム形成に関
するシンポジウムの議＠録」においてアール゛ケ８ラー
（Ｒ，Ｇｅ１ｌｅｒ　）、シー・ジャコウ（Ｃ，Ｊａｃ
ｑ−ｕ、Ｏｌ　）、寂よびピー・ツーーメット（Ｐ、　
Ｓｅｒｍｅｔ　）が説明し、また北オランダ出ｊ段イ土
１９６の１９８２年発行の「俵計ｄ（１」器および方法
」の第６２５頁から第６２９頁まででエノ・ブア（王（
”、　ＢＯｕｒｇ　）　、アール・ケゞラ−（Ｒ，Ｇｅ
１ｌｅｒ　）、ビー・ジャコウ（Ｂ、　Ｊａｃｑｕｏｔ
、　）、ティー・ラミー（Ｔ、　ｂａｍｙ　）、エム・
ボンドニヤ（Ｍ、　Ｐｏｎｔｏｎｎｉｅｒ　）およびジ
エー・シー・ロコ（Ｊ、Ｃ，、Ｒｏｃｃｏ　）が説明し
たような、これまでの′電子ブイクロトロン共振イオン
源の描線は、磁気ミラー配列の助けを借りたプラズマの
形成に基づ（。最初の引用文ｌ欽による構選でＩＸ、磁
気ミラー目己タυＱ工６群のコイルによってイ静もれる
。

第１図はこのイオン源を構成する生な素子の位置表示を
重ねることによる先行技術によるイオン源の甲ｌＬ・嘲
に沿う距離の関数としての磁タ゛ト曲線を示すグラフで
ある。第１図に示される辿り、コイルによって供給され
る磁界１０曲・曹はコイルの第１群２山・よび第６群４
の位置で２つの最大値を有するとともに、コイルθ）　
２ａ　２　計３の位１ａでこれら２つの最大値の＋Ｕｊ
に１つの最Ｊ箇直を汀し、前記第２群は逆磁界を供給す
る。

最大値はサイクロトロン共］辰に対応する磁気誘導値Ｂ
ｒよりも冒く、共振は２つの最大値の中１ｔｊＪに得ら
れる。かくて、プラズマは前記磁界の最大値の中間に置
かれるイオン源の区域内に作られかつ制限される。前記
イオ７ｕ！ｊ、のｖｉ気誘樽の最大値および最小値はこ
の場合、それぞれ４２００ガウスならびに６２００ガウ
スである。成子サイクロトロン共振は６６００ガウスで
起こり、注入される画周波の周波数１工約１００）ｉｚ
で置屋され乙。

プラズマ内に作られたイオンは、磁界の第２の最大値の
下流に置かれる電極によって構成される抽出装置５Ｖｃ
よって最終的に抽出される。さらに、前述の例のよ５に
、イオン抽出装置が第２磁界最大ｊ１Ｍの下Ｒ，に置か
れかつ第２磁界最大値が減少されるならば、イオン源か
ら出るイオン電流はそれに比例して減少される。

強いイオン電流を得るために、イオンはサイクロトロン
共振界と同じ大きざの磁界で必然的に抽出される。イオ
ン・ビームがコイル群により作られた磁界内に出されか
つ磁界がイオン源の第２コイルの下流かり欠然除去され
ると、イオンは横エネルギをｊｌりかつイオン・ビーム
は分かれ、ずなわらその光特性は破壊さｚＬる。この効
呆はブツシュの定理に睨明されている。

イオン源の下流のビームの光特性を保持するためには、
イオンを中！１：粒子に加えたり中性粒子に変質させる
位置まで、イオン・ビームのあらゆる滑動空間において
磁界を一定に保つ必要がある。

ＭｉＪ述の例では、−足ＶＣ，保つべき磁界は約３６０
０ガウスの誘導に相当するが、前記磁界を作るコイル６
によって消費される電気工ネル￥に約１メガワツトであ
る。

低エネルギのイオン（Ｉ　ＫｅＶ以下）を用いる場合は
、抽出装置を工旨慴度を抽出させることが不可能である
。密夏を増大させるように、イオン源の下流のイオン・
ビームを圧縮することができる。

磁界はイオン・ビームを圧縮するように比例して増加さ
れなければならない。かくて、イオン電流密度のエイθ
加は、この大きざの磁界ン作ることに関して起こる技術
的問題によって制限される。

要するに、先行技術のイオン源は磁気配列のエネルギ消
費が極めて太きいという不利を受ける一方、低運動エネ
ルギのイオン電流の密度増加は大きな磁界を必要とする
。

本発明の目的はこしらの不理を除去することである。こ
のために、本発明ｆ工は子丈イクロトロン共振イオン源
においてプラズマの磁気１ＵＩＪ限配列の変形を徒供し
、これにより先行技術のイオン源の轍かよりもずっと弱
い磁界内でイオンを抽出することかできる。

本発明は特に、磁気配列で作られかつ制限されるプラズ
マを構成する気体または物質の蒸気を冴む容器内に超亮
周波′鑞力を注入する装置と、イオン抽出装置とを何す
る電子サイクロトロン共振イオン源において、磁気配列
が２鼾のコイルによって構成され、超高周波注入器の堅
い悪によって形成される平面内に置かれる第１群はプラ
ズマを制限する磁界を供給する一方、第１群に関して逆
磁界で供給される第２群はイオン抽出装置を囲むことを
特徴とする前記イオン源に関するものである。

イオン源の１つの好適な実施例により、イオン抽出装置
の下１ｉｆｔに１８！夕付けられかつ絹１解と同じ方向
に供給されるコイルの第３群は抽出されたイオン゛ビー
ムを圧ｍ￥るよ５に抽出装置の磁界よりも籏い磁界を供
給する。

もう１つの特徴により、コイルのすべての６１により供
給される磁界はコイルの第１群の位１度における丈イ※
ロトロン共轟の最大値よりも大ぎな最大値乞何し、かつ
磁界がコイルの第２群の位置で最小１直まで減少する一
方、コイルの２群間のブイクロトロン共振に対応する磁
気誘導碑の直を通過する。

イオン源のも５１つの実施例により、イオン源の抽出装
置の位置は、抽出位置での弱い磁界がコイルの第１群に
よってのみ供給されるように選択される。

イオン源のなおもう１つの実施例により、超調周波注入
装置番工数個の超高周波注入器によって構成され、これ
らの谷注入器は１群のコイルによって囲まれ、これらの
コイルは各注入器の堅い窓によって形成される平面内に
置かれる。

もう１つの特徴により、プラズマを制限する磁気配列は
さらに、永久磁石によって構成される多惚磁気配列をも
含む。

も５１つのＩＯ敵により、丈イクロトロン共撤に対応す
る磁界（工、超高周波注入装置とイオン源の空洞との接
続点の約数ｃｍ下流の距離で得られる。

もつ１つの特徴により、気体の注入はイオン抽出装置の
下流およびその・１・１近に起こる。

も５１つの′＃徴により、イオン慴１出、に１６は１１
固の電極によって構成される。

本発明によるイオン源のもう１つの実施例により、プラ
ズマを構成する気体は重水素であり、またコイルの第２
群の位置における磁界は？２１．巨ガウス程度である。

本発明９工、非制限の実施例に関しかつ付図に関して以
下に詳しく説明される。

第２ａ図はイオン源の中心軸に沿う成子丈イクロトロン
共振イオン源の１つの実施例のｌｆｉ潔化された断面形
を示す。真全空洞９において、例えば回転円筒の形で、
−噛は超高周波１力注入器８を取シ何け、他端はイオン
利用位置に接続されている。空洞９（エイオン源の特注
の関数としてランダムな形状な且することかできるのに
注目すべきである。特に、超重周波電力注入装置８は数
個の超重周波注入器によって構成される。気体または蒸
気は１１に導入されるが、これはイオン抽出装置の下流
およびその付近で２Ｘ１０−３〜２　Ｘ　１０−”トリ
チェリーの低い圧力の下で７０ラズマな形成するのに？
９立つ。

軸方向の静磁界は、空洞を囲むコイルによって加えられ
る。磁気制限界を供給するために空洞を囲む永久磁石を
用いることもできる。

超高周波界の１原動ωが磁界内の電子ティクロトロンの
脈動に等しければ、プラズマが作られる。

イオン源のもう１つの実施例では、プラズマは別の位置
で作られ、次に空洞９に注入される。プラズマはコイル
の２群１１．１２によって得られる磁気配列内に制限さ
れる。コイルの第１群１１は、超重周波注入器８の堅い
窓１３によジ形成される平面内に置かれて注入器８を囲
む。

コイルの第２ｄ羊１２＆エコイルの渠１ｇｆＯ）ド流の
Ｐｌ？定距離に置かれ、第１群に関して逆磁界で供給さ
れる。

第２ｂ図に示される辿り、コイルのこ肚ら２師の合計は
、コイルの第１群１１の位置で最大値を持つ磁界を供給
する。この値は電子サイクロトロン共振に対応する値Ｂ
１を越える。磁界はコイルの第２朴１２の位置で最小１
直まで減少する〇ちなみに、磁界（′ｆ−丈イクイクロ
トロン共振応する磁界の値Ｂｒに達する。抽出位置の磁
界がコイルの第１群によってのみ供給されるように、コ
イルの第１群と抽出装置との間の距離を選択することも
可能である。

磁界断面図ｆ工、成子サイクロトロン共振が超高周波成
力性大器と空洞との接続部の数酬はど下流に起こるよう
に選択される。さらに、共振区域は窓１３から十分離れ
ていて、この点で作られるプラズマ１０に窓までほとん
ど拡散ぜす、したがって窓を損傷するＩＧ険のないこと
が保証される。ざらに、共振は空洞の壁から十分ＮＷれ
ていて、プラズマ密度に減少がないことが保証される。

１群を構成するコイルの数は、供給すべぎ磁界に左右さ
れる。７″ンズマ＋気制限の好適な実施例では、コイル
の第１＃ｆｌｌと第２鼾１２との間に多極磁気配列が具
倫されている。

第６図は第２ａ図のＡ−Ａに沿う０１面において、補助
磁気制限の６極配列を示す。プラズマ１０は、プラズマ
を囲む空洞の円筒部分の回りにリンダ状に分布されかつ
父互換注を待つ永久磁石１８によつ（作られる磁力線に
よりＩＪ　１ｆｉＲされる。

プラズマな形成する気体が重水素である場合シエ、超高
周波界の脈動の周波数Ｑ工はぼ１ＱＧＨｚであり、した
がって電子サイクロトロン共振は誘導Ｂｒ−６６００ガ
ウスについて作られる。

コイルの第１群の位置におけるｄ導ＢｌｎａＸの最大値
にポリ５０００ガウスに選択されることが望ましく、コ
イルの第２群の位置に２ける１直し工数Ｕガウス程度に
選択されることが望ましい。イオン抽出装置１４は第２
爵を４７４１戎するコイル内に置かれる。

本発明によるイオン源において（佳、抽出装置の立置に
おけるこの候気誘尋１１１工丈イクロトロン共振に対応
する誘４Ｂ　の値の１０％未満であることが注目される
。抽出装置、は１個の成極の形であることができる。

＄発明によるイオン＃、２よびづ出出装置１４の位置ぎ
めと共に実施された試験し工、イオン抽出装置５（第１
図）かフ０ラズマ市１」１）艮の☆θ界の第２最大１直
の下流に虹かれる先行技＃によるイオンａ会と共に実施
された試験の場合と違って、抽出されたイオンの電流が
抽出位置での磁気誘導値に比例しないことを示した。比
炊し得る条件の下で、本発明によるイオン源から出たイ
オン＠帷、は在米のイオン源のそれの２倍である。

単位容積当たりの超高周波電力を増加すると、イオン電
流ｔ￥、増加する。そのとき、よｐ太ぎなイオン電流を
抽出し、すなわち壁側の幅づよび直径を減少することか
可能であり、これシエ「小形空洞」の使用につ′ながる
が、ただしサイクロトロン共振がガイドから教訓の空洞
内にあるものとする（空洞変移）。

抽出されたビーム１６の放射方向の均一１生が著しく改
善され、また本発明によるこの磁気配列で作られたプラ
ズマ１０の安定性は先行技術のそれよＱも大きいことも
判明している。

イオン源から抽出されたビームは、抽出装置１４に加え
られる磁界よりも強い磁界を加えることによって、抽出
電極の下流で圧縮されることがある。イオン電流の督度
は加えられた磁界に比例して増加する。

この磁界（・ま第２図に示される通り、コイルの第３群
１５によって作られる。イオン抽出位置の磁界は、イオ
ン源の上流のイオン・ビームの光特１生を保持またに増
大するように極めて弱く、それには先行技術のイオン源
に用いられる磁界よりもずっと低い磁界を供給するコイ
ルで事か足りる。

上述の例で（工、これらのコイルのエネルヤ消費社は１
０倍以上減少されるので、エイルギ節約は顕著である。

イオン・ビームの光特性に関するもう１つの面により、
磁界を加える位置の十分＋１１１で磁界を除去すること
ができ、しかもその特注に少しも劣化しない。ブツシュ
の定理に示される影響力旬、ｆ（（視できるようになる
のは、磁界が比鮫的弱いからである。これ＆エイオン源
の下流でのさらに有Ｊ　’Ａな工坏ルイ頗約につながり
、全寸法は数多いコイルの除去によシ減少される。

【図面の簡単な説明】

第１図は先行枝肉のイオン蝕の中心軸に沿う距ｎＬの関
数として磁界曲線を示すグラフに前記イオン源を４１ζ
或する生な素子の数個の位置を表わす図を重ねたもので
あり、第２ａｌΔはイオン源の中心軸を含む平面内の部
分における４（発明にょる成子丈イクロトロン共振イオ
ン源を示す図であり、第２ｂ図は本発明によるイオン源
の中心軸に沿う距離のＩＡ故としての磁界の１所面図乞
示すグラフであり、第６図は第２図の矢印に沿うＩＡＪ
Ｆ面の形でプラズマの補助磁気側限の６４−ｉ配列を示
す図である。 １−憾界曲祿；２．３．４．６−コイル；５゜１４−イ
オン拍出装置；８−超高周彼屯カ注入装置；９−空洞；
１０−プラズマ；１１１２゜１５−コイル；１３−急；
１８−永久磁石代理人　浅　村　ｕ’７ｉ 第１頁の続き ０発　明　者　ジャンーマルク　マツ　＝ネ ０発　明　者　ジャンークロード　ロ　＝ツコ ■発明者　ビニール　スルノ　二 ０発　明　者　フランソワ　ザドウオ　＝ルニイ　ノ ０発　明　者　フランソワ　ブルグ　−７ランス国クル
ノープル、リュ　ジョルジュ　サン、１４７ランス国ク
レイクス、ブブイル（番地なし）フランス国グルノープ
ル、プラス　ジャン　ムラン、６７ランス国コルンク、
アブニュ　シャルル　ドウフカウレ、　８ ７ランス国サン　マルタン　ドウル、リュ　ドウボワ　
ムｔル、２２ 手続補正書（自制 昭和５９６１６　月２８０ 特許庁長官殿 Ｊ、事件の表示 １１ｔ（和５９年持γ「願第　１００３４１　号２、発
明の名称 電子サイクロトロン共振イオン源 ３、補正をする者 事件との関係　特γ］出願人 住　所 氏　名　コミツサリア　タ　レネルギー　アトミーク（
名　称） ４、代理人 ５、補正命令の日イ」 昭和　年　月　１１ 明細書の浄書　（内容に変更なし）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 け）磁気配列で作られかつ制限されるプラズマを構成す
   る気体または物質の蒸気を宮む容器内に超高周波重力を
   注入する装置と、イオン抽出装置とを侍する電子サイク
   ロトロン共振イオン源において、磁気配夕１］が２群の
   コイルによって構成され、超高周波注入器の堅い窓によ
   って形成される平面内に置かれかつ注入器を囲む第１＃
   はプラズマを制限する磁界を供給する一方、第１群に関
   して逆磁界で供給される第２群はイオン抽出装置を囲む
   ことを特徴とする前記イオンＷ０ （２、特許請求の範囲第１項記載によるイオン源におい
   て、イオン抽出装置の下流に取っ付けられかつＷ、１群
   と同じ方向に供給されるコイルの第６＃は抽出されたイ
   オン“ビームを圧縮するように抽出装置の磁界よりも強
   い憾昇を供給することを特徴とする前記イオン源。 （３）％許請求の範囲第１項記載によるイオン源におい
   て、コイルのすべての群により供給される磁界はコイル
   の第１群の位置におけるサイクロトロン共振の最大値よ
   りも大ぎな最大値？Ｈし、かつ磁界がコイルの第２群の
   位置で最ｌ」刈面まで減少する一方、コイルのこれら２
   群間のブイクロトロン共振に相当する磁気誘導Ｂｒの１
   咲を通過することを特徴とする前記イオン源。 （４）特許請求の範囲第１項から第３項までのどれでも
   １つの項記載によるイオン源において、イオン源の抽出
   装置の位置は抽出位置での弱い磁界がコイルの第１群に
   よつ℃のみ供給されるように選択されることを特徴とす
   る前記イオン源。 ｔ５１　特許請求の範囲第１項から第４項までのどれで
   も１つの項記載によるイオン源において、超重周波注入
   装置は数個の超高周波注入器によって４１゛ｑ成され、
   これらの谷注入器に１群のコイルによって囲まれ、これ
   らのコイルに谷法人器の堅い窓によって形成される平面
   内に置かれることをＱＶｊ　Ｒとするｌ￥ｆＪ記イオン
   源。 （６）特許請求の範囲第１項から第５項までのどれでも
   １つの項記載によるイオン源において、プラズマを制限
   する磁気配列はさらに永久磁石によつ℃構成される多極
   配列を含むことを特徴とする前記イオン源。 （７）　特許請求の範囲第１項から第６項までのどれで
   も１つの項記載によるイオン源において、サイクロトロ
   ン共づ辰に対応する磁界は超高周波注入装置とイオン源
   の空で１ｉｉｌとの接続点の約数ｃｍ下流の距離で得ら
   れることを特徴とする＠紀イオン源。 （８）　特許請求の範囲第１項から第７項までのどれで
   も１つの項記載によるイオン源において、気体の注入は
   イオン抽出装置の下流およびその付近に起こることを特
   徴とする前記イオン源。 （９）　特許請求の範囲第１項から第８項までのどれで
   も１つの項記載によるイオン源において、イオン抽出装
   置は１個の電極によって構成されることを特徴とする前
   を己イオン源。 ００）特許請求の範囲第１ＪＪ￥１から第９項までのど
   れでも１つの項記載によるイオン源において、プラズマ
   を構成する気体は重水素であり、またコイルの第２ｎの
   位置における磁界は奴６ガウス程度であることを特徴と
   する前記イオン源。