JPS6260788B2 - - Google Patents
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- JPS6260788B2 JPS6260788B2 JP56151390A JP15139081A JPS6260788B2 JP S6260788 B2 JPS6260788 B2 JP S6260788B2 JP 56151390 A JP56151390 A JP 56151390A JP 15139081 A JP15139081 A JP 15139081A JP S6260788 B2 JPS6260788 B2 JP S6260788B2
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- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 47
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 8
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J27/00—Ion beam tubes
- H01J27/02—Ion sources; Ion guns
- H01J27/04—Ion sources; Ion guns using reflex discharge, e.g. Penning ion sources
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明はイオン発生装置に係り、特に低圧気中
放電の一種であるクロストフイールド放電を用い
たイオン発生装置に関する。
放電の一種であるクロストフイールド放電を用い
たイオン発生装置に関する。
一般に、半導体や金属などの表面加工、核物理
学、表面科学などで必要とされるイオン源の特性
としては、出力電流が大きく、ビームのイオンの
運動エネルギーのばらつきが少なく、操作性が良
く信頼度が高いことが要求される。この様に、出
力電流が大きく、エネルギー分布のばらつきが少
ないイオン源として、熱陰極から電子を補給して
プラズマを生成し、そのイオンを取出す形式のも
のが実用に供されており、代表的なものとしては
デユオプラズマトロンがある。
学、表面科学などで必要とされるイオン源の特性
としては、出力電流が大きく、ビームのイオンの
運動エネルギーのばらつきが少なく、操作性が良
く信頼度が高いことが要求される。この様に、出
力電流が大きく、エネルギー分布のばらつきが少
ないイオン源として、熱陰極から電子を補給して
プラズマを生成し、そのイオンを取出す形式のも
のが実用に供されており、代表的なものとしては
デユオプラズマトロンがある。
しかしながら、かかる形式のイオン源は破壊さ
れ易く、ひんぱんに取替える必要がある熱陰極を
備えているので、イオン源の操作性が悪く信頼度
が低いという欠点を有する。
れ易く、ひんぱんに取替える必要がある熱陰極を
備えているので、イオン源の操作性が悪く信頼度
が低いという欠点を有する。
これに対して、プラズマをマイクロ波で生成す
るものも知られており、これは熱陰極を必要とし
ないが、大電力のマイクロ波を供給するための装
置を必要とし、装置が大規模になるという問題点
がある。
るものも知られており、これは熱陰極を必要とし
ないが、大電力のマイクロ波を供給するための装
置を必要とし、装置が大規模になるという問題点
がある。
これらの欠点を克服し、出力電流が大きく操作
性が良く信頼度の高いイオン源としては、現在代
表的なものとして低圧気中放電の一種の冷陰極
PIG放電を利用したPIGイオン源が知られてお
り、実用に供されている。
性が良く信頼度の高いイオン源としては、現在代
表的なものとして低圧気中放電の一種の冷陰極
PIG放電を利用したPIGイオン源が知られてお
り、実用に供されている。
第1図はかかる周知のPIGイオン源の構成を示
す縦断面図であり、同図中1は円筒状中空部2を
有する陽極、3,4は2枚1組である陰極、5は
前記陽極1及び陰極3,4を収容する真空容器、
6,7は前記陽極1、陰極3,4に対する給電経
路を形成する真空容器壁貫通部、8は磁場発生装
置、9は前記陰極3に設けた貫通孔である。
す縦断面図であり、同図中1は円筒状中空部2を
有する陽極、3,4は2枚1組である陰極、5は
前記陽極1及び陰極3,4を収容する真空容器、
6,7は前記陽極1、陰極3,4に対する給電経
路を形成する真空容器壁貫通部、8は磁場発生装
置、9は前記陰極3に設けた貫通孔である。
第1図からも明らかな如く、陽極1の2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2枚1組の陰極3,4が設けられ、前記陽極
1、陰極3,4は真空容器5に収容される。ま
た、陽極1と陰極3,4の間には、図示しない電
源から図示しない給電経路を経て、更にこの給電
経路の一部をなす気密な真空容器壁貫通部6,7
を経て高電圧が印加される。なお、2枚の陰極
3,4は真空容器5の内部で短絡されている。
口部のおのおのに離間かつ近接して開口を覆う形
状に2枚1組の陰極3,4が設けられ、前記陽極
1、陰極3,4は真空容器5に収容される。ま
た、陽極1と陰極3,4の間には、図示しない電
源から図示しない給電経路を経て、更にこの給電
経路の一部をなす気密な真空容器壁貫通部6,7
を経て高電圧が印加される。なお、2枚の陰極
3,4は真空容器5の内部で短絡されている。
一方、磁場発生装置8は、永久磁石でも、超電
導または常電導の電磁石でもよいが、この磁場発
生装置8の作る磁場は、陽極1の中空部2の位置
で円筒状中空部2の軸に平行である。また、陰極
3の陽極の中空部2の軸心に一致する軸心を有す
る貫通孔9がある。
導または常電導の電磁石でもよいが、この磁場発
生装置8の作る磁場は、陽極1の中空部2の位置
で円筒状中空部2の軸に平行である。また、陰極
3の陽極の中空部2の軸心に一致する軸心を有す
る貫通孔9がある。
更に、真空容器5は図示しない真空装置に接続
されるが、前記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に排気し、イ
オン源作動時にはこの真空容器5の内部に所要の
気体等を供給する。
されるが、前記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に排気し、イ
オン源作動時にはこの真空容器5の内部に所要の
気体等を供給する。
さて、イオン源の作動条件は、用途によつて適
宜に選べばよい。例えば、真空容器5内の作動気
体数密度1×1017m-3、陽極1の中空部2の半径
を7.5mm、陽陰極間電圧を5KV、磁場を0.15Tとす
る。そして、発生したイオンは貫通孔9から取出
される。
宜に選べばよい。例えば、真空容器5内の作動気
体数密度1×1017m-3、陽極1の中空部2の半径
を7.5mm、陽陰極間電圧を5KV、磁場を0.15Tとす
る。そして、発生したイオンは貫通孔9から取出
される。
かかる構成を有する従来のPIGイオン源の欠点
は、イオンビームのエネルギ分布のばらつきが大
きいことであつた。
は、イオンビームのエネルギ分布のばらつきが大
きいことであつた。
すなわち、
(1) J.C.Helmer and R.L.Jensen:Electrical
Characteristics of a Penning Discharge:
Proc.IRE.49(’61)、1920 (2) W.Knauer:Mechanism of the Penning
Dischasge at Low Pressures:J.Appl.
Physi、33(’62)、2093 に示される様に、取出されたイオンビームの運動
エネルギーの分布幅が広く、ビームの集束や平行
度を良くするためには、ビームラインの構成が非
常に困難であるという欠点があつた。
Characteristics of a Penning Discharge:
Proc.IRE.49(’61)、1920 (2) W.Knauer:Mechanism of the Penning
Dischasge at Low Pressures:J.Appl.
Physi、33(’62)、2093 に示される様に、取出されたイオンビームの運動
エネルギーの分布幅が広く、ビームの集束や平行
度を良くするためには、ビームラインの構成が非
常に困難であるという欠点があつた。
本発明の第一の目的は、冷陰極放電を利用し
て、ガス効率が良く、しかも取出されたイオンビ
ームの運動エネルギーの分布の相対的な幅を狭く
できるイオン発生装置の構成を提供するにあり、
第二の目的は、イオン加速部などを付加せずにイ
オン源だけを制御することにより、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
つた有用な機能を有するイオン発生装置を提供す
るにある。
て、ガス効率が良く、しかも取出されたイオンビ
ームの運動エネルギーの分布の相対的な幅を狭く
できるイオン発生装置の構成を提供するにあり、
第二の目的は、イオン加速部などを付加せずにイ
オン源だけを制御することにより、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
つた有用な機能を有するイオン発生装置を提供す
るにある。
本発明は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
この開口端面を覆う形状を有する第一の陰極と、
この第一の陰極に前記陽極の中空部の軸心から離
間して穿設した貫通孔を貫通し一部は陽極の中空
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この開口
端を覆う形状を有し前記陽極の中空部の軸心に一
致する位置に貫通孔を穿設してなる第二の陰極
と、前記各電極に、陽極には最も高い電位を与
え、制御電極には陽極の電位の次に高い電位を与
え、第一の陰極には制御電極に電位の次に高い電
位を与え、第二の陰極には最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したイオン発
生装置である。
陽極の一方の開口端に離間かつ近接して配設され
この開口端面を覆う形状を有する第一の陰極と、
この第一の陰極に前記陽極の中空部の軸心から離
間して穿設した貫通孔を貫通し一部は陽極の中空
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この開口
端を覆う形状を有し前記陽極の中空部の軸心に一
致する位置に貫通孔を穿設してなる第二の陰極
と、前記各電極に、陽極には最も高い電位を与
え、制御電極には陽極の電位の次に高い電位を与
え、第一の陰極には制御電極に電位の次に高い電
位を与え、第二の陰極には最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したイオン発
生装置である。
以下発明の実施例を説明する。
第2図は本発明の一実施例を示すイオン発生装
置主要部の縦断面図である。
置主要部の縦断面図である。
11は貫通した中空部12を有する陽極であ
る。13は該陽極11の一方の開口端に離間かつ
近接して配設されその開口を覆う形状を有する第
一の陰極、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その開口端を覆う形状を有
する第二の陰極で金属製真空容器15の管内壁に
固着され、電気的には真空容器15と同電位に保
持される。16は陽極の中空部12の軸心から離
間して該第一の陰極13に穿設された貫通孔、1
7は貫通孔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、19は陽極の中空部12の軸心に
一致する軸心を有する第二の陰極14に穿設され
た貫通孔である。20は絶縁物製の支持体で陽極
11、第一の陰極13、制御電極17を通電路を
兼ねる図示の支柱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この電気的接続部で各電
極に接続される。支持体20は、支柱10で支持
され、該支柱10は図示されない構造物に支持さ
れている。
る。13は該陽極11の一方の開口端に離間かつ
近接して配設されその開口を覆う形状を有する第
一の陰極、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その開口端を覆う形状を有
する第二の陰極で金属製真空容器15の管内壁に
固着され、電気的には真空容器15と同電位に保
持される。16は陽極の中空部12の軸心から離
間して該第一の陰極13に穿設された貫通孔、1
7は貫通孔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、19は陽極の中空部12の軸心に
一致する軸心を有する第二の陰極14に穿設され
た貫通孔である。20は絶縁物製の支持体で陽極
11、第一の陰極13、制御電極17を通電路を
兼ねる図示の支柱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この電気的接続部で各電
極に接続される。支持体20は、支柱10で支持
され、該支柱10は図示されない構造物に支持さ
れている。
第3図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
を省略する。
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
を省略する。
第二の陰極14は本実施例では接地されている
が、接地されることは必ずしも必要でなく、一般
には任意の電位でよい。21,22,23は直流
電源で、各電極に、陽極11、制御電極17、第
一の陰極13、第二の陰極14の順に高い電位を
与える。
が、接地されることは必ずしも必要でなく、一般
には任意の電位でよい。21,22,23は直流
電源で、各電極に、陽極11、制御電極17、第
一の陰極13、第二の陰極14の順に高い電位を
与える。
以上、第2図及第3図に示す実施例によつて説
明した本発明の効果を説明するし、第4図は第1
図に示した従来のPIGイオン源の、第5図は第2
図及び第3図に示した本発明のイオン発生装置
の、それぞれ特性を示す線図である。陽極の電位
はそれぞれVaとし、第1図に於ける陰極3及び
4の電位、及び第2図に於ける第二の陰極14の
電位、はそれぞれ零としてある。横軸には、第4
図於ては第1図に示す貫通孔9を通つて、第5図
に於ては第2図に示す貫通孔19を通つて、それ
ぞれ放電空間の外部に取出されたイオンの運動エ
ネルギーを示し、電子の電荷を−eとしてある。
縦軸fは、運動エネルギがu以上u+du未満の
イオンの、単位時間に取出される数がfduである
と定義したエネルギ分布函数である。取出された
イオンの運動エネルギは、放電によりそのイオン
が形成された場所の電位をVとおくと、ほとんど
eVに等しい。従つて従来のPIGイオン源でも本発
明のイオン発生装置に於ても、分布函数fは、第
4図及び第5図に示すごとく、放電空間の最小電
位Voと最大電位Vaに対応して、eVo≦u<
eVa、に於てのみ、零でない値をとる。エネルギ
幅の相対値を表わす数γとして、 γ=e(Va−Vo)/eVa=1−Vo/V
a を用いて、本発明の第一の効果を説明する。PIG
放電では放電空間の最小電位Voは陰極の電位す
なわち本実施例では零に近く、陽極電位Vaより
非常に小さい。すなわち、PIGイオン源では、
Vo/Va≪1であるから、γ〓1である。一方制
御電極17を有する本発明のイオン発生装置に於
ては、制御電極の電位が二つの陰極の電位にくら
べて充分高ければ、例えば600V以上高ければ、
放電空間の最小電位Voは二つの陰極の電位に無
関係に、制御電極と陽極の電位で定まる。放電を
維持する為にVa−Voは一定値以上でなければな
らないが、陽極電位は装置の許す範囲で非常に大
きくできるので、(Va−Vo)/Vaは必要に応じ
て小さくでき、例えばγ≪1とすることもでき
る。これが、取出されたイオンビームの運動エネ
ルギーの分布の相対的な幅を狭くできるという本
発明の第一の効果である。本発明のイオン発生装
置に於ても、従来のPIGイオン源の長所である、
冷陰極放電を利用していること、及びガス効率が
良いこと、という特徴はそのまま生かされている
ことは、言うまでもない。
明した本発明の効果を説明するし、第4図は第1
図に示した従来のPIGイオン源の、第5図は第2
図及び第3図に示した本発明のイオン発生装置
の、それぞれ特性を示す線図である。陽極の電位
はそれぞれVaとし、第1図に於ける陰極3及び
4の電位、及び第2図に於ける第二の陰極14の
電位、はそれぞれ零としてある。横軸には、第4
図於ては第1図に示す貫通孔9を通つて、第5図
に於ては第2図に示す貫通孔19を通つて、それ
ぞれ放電空間の外部に取出されたイオンの運動エ
ネルギーを示し、電子の電荷を−eとしてある。
縦軸fは、運動エネルギがu以上u+du未満の
イオンの、単位時間に取出される数がfduである
と定義したエネルギ分布函数である。取出された
イオンの運動エネルギは、放電によりそのイオン
が形成された場所の電位をVとおくと、ほとんど
eVに等しい。従つて従来のPIGイオン源でも本発
明のイオン発生装置に於ても、分布函数fは、第
4図及び第5図に示すごとく、放電空間の最小電
位Voと最大電位Vaに対応して、eVo≦u<
eVa、に於てのみ、零でない値をとる。エネルギ
幅の相対値を表わす数γとして、 γ=e(Va−Vo)/eVa=1−Vo/V
a を用いて、本発明の第一の効果を説明する。PIG
放電では放電空間の最小電位Voは陰極の電位す
なわち本実施例では零に近く、陽極電位Vaより
非常に小さい。すなわち、PIGイオン源では、
Vo/Va≪1であるから、γ〓1である。一方制
御電極17を有する本発明のイオン発生装置に於
ては、制御電極の電位が二つの陰極の電位にくら
べて充分高ければ、例えば600V以上高ければ、
放電空間の最小電位Voは二つの陰極の電位に無
関係に、制御電極と陽極の電位で定まる。放電を
維持する為にVa−Voは一定値以上でなければな
らないが、陽極電位は装置の許す範囲で非常に大
きくできるので、(Va−Vo)/Vaは必要に応じ
て小さくでき、例えばγ≪1とすることもでき
る。これが、取出されたイオンビームの運動エネ
ルギーの分布の相対的な幅を狭くできるという本
発明の第一の効果である。本発明のイオン発生装
置に於ても、従来のPIGイオン源の長所である、
冷陰極放電を利用していること、及びガス効率が
良いこと、という特徴はそのまま生かされている
ことは、言うまでもない。
上に説明した如く、放電空間の最小電位Vo
は、本発明では二つの陰極の電位に無関係に定ま
るので、上述の第一の効果を奏したものと同一の
構成で、イオン加速部などを付加せずに、イオン
源だけを制御することにより、出力イオンビーム
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、本発明の第二の効果を奏す
る。
は、本発明では二つの陰極の電位に無関係に定ま
るので、上述の第一の効果を奏したものと同一の
構成で、イオン加速部などを付加せずに、イオン
源だけを制御することにより、出力イオンビーム
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、本発明の第二の効果を奏す
る。
第二の陰極の貫通孔19の周囲に衝突するイオ
ンは、第二の陰極物質をスパツタし、また第二の
陰極を加熱する。加熱による第二の陰極の昇温及
びスパツタリングによる貫通孔19の変形や周辺
の物体の汚染を抑制するためには、この貫通孔を
できるだけ太くし、衝撃するイオンの量を減らす
ことが有効である。貫通孔を太くすれば、取出せ
るイオンの量も増加することは言うまでもない。
一方、貫通孔19を太くすると、放電空間の空間
電位を決定するのに重要な陰極中心部の電極面が
減少する結果、放電は不安定となり易い。この放
電の不安定を抑制するために本発明では、第一の
陰極の電位を第二の陰極の電位より高くしてい
る。この放電不安定の抑制の効果、あるいはイオ
ンを取り出す貫通孔を太くできるという効果は、
上記第一及び第二の効果とは別な、本発明の効果
である。
ンは、第二の陰極物質をスパツタし、また第二の
陰極を加熱する。加熱による第二の陰極の昇温及
びスパツタリングによる貫通孔19の変形や周辺
の物体の汚染を抑制するためには、この貫通孔を
できるだけ太くし、衝撃するイオンの量を減らす
ことが有効である。貫通孔を太くすれば、取出せ
るイオンの量も増加することは言うまでもない。
一方、貫通孔19を太くすると、放電空間の空間
電位を決定するのに重要な陰極中心部の電極面が
減少する結果、放電は不安定となり易い。この放
電の不安定を抑制するために本発明では、第一の
陰極の電位を第二の陰極の電位より高くしてい
る。この放電不安定の抑制の効果、あるいはイオ
ンを取り出す貫通孔を太くできるという効果は、
上記第一及び第二の効果とは別な、本発明の効果
である。
第1図は従来のPIGイオン源の構成を示す縦断
面図、第2図は本発明の一実施例を示すイオン発
生装置主要部縦断面図、第3図は本発明のイオン
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図は第1図に示した従来のPIGイオ
ン源の、第5図は第2図及び第3図に示した本発
明のイオン発生装置の、それぞれ特性を示す線図
である。 1,11……陽極、2,12……陽極の中空
部、3,4……陰極、8,18……磁場発生装
置、9……陰極3の貫通孔、13……第一の陰
極、14……第二の陰極、16……第一の陰極1
3の貫通孔、17……制御電極、19……第二の
陰極14の貫通孔、21,22,23……直流電
源。
面図、第2図は本発明の一実施例を示すイオン発
生装置主要部縦断面図、第3図は本発明のイオン
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図は第1図に示した従来のPIGイオ
ン源の、第5図は第2図及び第3図に示した本発
明のイオン発生装置の、それぞれ特性を示す線図
である。 1,11……陽極、2,12……陽極の中空
部、3,4……陰極、8,18……磁場発生装
置、9……陰極3の貫通孔、13……第一の陰
極、14……第二の陰極、16……第一の陰極1
3の貫通孔、17……制御電極、19……第二の
陰極14の貫通孔、21,22,23……直流電
源。
Claims (1)
- 1 貫通した中空部12を有する陽極11と、こ
の陽極11の一方の開口端に離間かつ近接して配
設されこの開口端面を覆う形状を有する第一の陰
極13と、この第一の陰極13に前記陽極11の
中空部12の軸心から離間して穿設した貫通孔1
6を貫通し一部は陽極の中空部に延在するよう構
成した制御電極17と、前記陽極11の他方の開
口端に離間かつ近接して配設されこの開口端を覆
う形状を有し前記陽極11の中空部12の軸心に
一致する位置に貫通孔19を穿設してなる第二の
陰極14と、前記各電極に、陽極11には最も高
い電位を与え、制御電極17には陽極11の電位
の次に高い電位を与え、第一の陰極13には制御
電極17の電位の次に高い電位を与え、第二の陰
極14には最も低い電極を与える手段21,2
2,23と、前記陽極11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手段18とを
具備したことを特徴とするイオン発生装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56151390A JPS5853143A (ja) | 1981-09-26 | 1981-09-26 | イオン発生装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56151390A JPS5853143A (ja) | 1981-09-26 | 1981-09-26 | イオン発生装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5853143A JPS5853143A (ja) | 1983-03-29 |
| JPS6260788B2 true JPS6260788B2 (ja) | 1987-12-17 |
Family
ID=15517530
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP56151390A Granted JPS5853143A (ja) | 1981-09-26 | 1981-09-26 | イオン発生装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5853143A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03115340U (ja) * | 1990-03-07 | 1991-11-28 |
-
1981
- 1981-09-26 JP JP56151390A patent/JPS5853143A/ja active Granted
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03115340U (ja) * | 1990-03-07 | 1991-11-28 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5853143A (ja) | 1983-03-29 |
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