JPH11109096A - 表面生成形負イオン源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、セシウムを効果的に使用し、運転
効率を向上させることを目的とするものである。 【解決手段】 セシウム炉に窓２１を設け、イオン源本
体を大気開放することなく、運転中にも窓２１を通して
セシウム炉内のセシウムの残量や酸化状態等の確認を行
うことができるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、表面生成形負イ
オン源に関し、例えばイオン注入、核融合におけるプラ
ズマの加熱、診断及び加速期加速器への入射器などに利
用され、負イオンを発生する表面生成形負イオン源に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１１は例えば『プロシーディングス・
オブ・ザ・パーティクル・アクセルレイタ・カンファレ
ンス』(Proc. of the Particle Accelerator Conferenc
e)（ＩＥＥＥ１９８５）１７８２ページに示された従来
の表面生成形負イオン源の要部を示す構成図である。図
において、１はビーム出口１ａを有する円筒状のイオン
源本体、２はイオン源本体１内の真空度を検出する真空
ゲージ（図示せず）を接続するための真空ゲージ接続
口、３はイオン源本体１内にガスを導入するためのガス
導入口、４はイオン源本体１内にセシウム蒸気を導入す
るためのセシウム導入口、５はイオン源本体１の外周部
に互いに間隔をおいて複数個設けられているプラズマ閉
じ込め用の永久磁石である。

【０００３】６はイオン源本体１内に設けられ熱電子を
放出するフィラメント、７はイオン源本体１内に発生し
た正のイオンを負イオンに変換するコンバータであり、
このコンバータ７は、イオン源本体１内に挿入されたコ
ンバータ支柱８と、イオン源本体１内でコンバータ支柱
８の先端部に保持されているコンバータヘッド９と、保
護用ガラス管１０とを有している。また、コンバータ支
柱８内に冷却水流路１１が設けられている。

【０００４】次に、動作について説明する。イオン源本
体１内は、ビーム出口１ａ側、即ちイオン源が接続され
る加速器等の真空チャンバ（図示せず）を真空引きする
ことにより、真空にされている。この状態で、フィラメ
ント６が高温に熱せられ、熱電子が放出されるととも
に、ガス導入口３からはガスが導入される。この後、コ
ンバータヘッド９にイオン源本体１に対して負の電圧が
印加されるとともに、イオン源本体１とフィラメント６
との間に、パルス電圧が印加される。また、ビーム引き
出し用の加速電極（図示せず）に電圧が印加される。

【０００５】フィラメント６から放出された熱電子は、
イオン源本体１とフィラメント６との間に印加されたア
ーク電圧により加速され、イオン源本体１内にプラズマ
が発生する。このアーク放電により、導入ガスの正のイ
オンと電離された電子とがイオン源本体１内に生成され
る。一方、セシウム導入口４からは、セシウム炉（図示
せず）で加熱されたセシウム蒸気が導入され、コンバー
タヘッド９に吹き付けられる。

【０００６】生成された正のイオンは、コンバータ７に
より負イオンに変換される。即ち、コンバータヘッド９
には、イオン源本体１に対して負の電圧が印加されてい
るので、プラズマ中の正のイオンがコンバータヘッド９
に引き寄せられる。コンバータヘッド９の仕事関数は、
５〜６ｅＶであるが、セシウム蒸気の吹き付けにより
１．５ｅＶ程度に下げられ、導入ガスの正のイオンは、
コンバータヘッド９の表面で負イオンに荷電変換され
る。生成された負イオンは、イオン源本体１と加速電極
との間の電界により加速され、ビーム出口１ａから真空
チャンバ内に出力されることになる。

【０００７】例えば、Ｈ⁻イオン源では、プラズマ中に
生成されたＨ^＋がモリブデン製のコンバータヘッド９の
表面でＨ⁻に荷電変換される。一方、Ｃ⁻のようなビー
ムを出力する場合は、キセノンガス中にプラズマを点火
し、炭素のコンバータヘッド９をスパッタすることによ
りＣ⁻ビームを生成する。また、コンバータヘッド９が
電気伝導性のあるシリコンであれば、Ｓｉ⁻ビームが出
力される。従って、コンバータヘッド９の材料を変える
ことにより、ビームの種類を変更することも可能であ
る。このように、イオン種類を切り換えることでタンデ
ム式静電形加速器などと組み合わせれば、比較的簡単に
各種ビームを加速し、十分な強度で出力できる。

【０００８】ここで、コンバータヘッド９におけるセシ
ウム層の厚みは、厚すぎると変換効率が低下するので、
ほぼ半原子層程度が最適とされている。このように、セ
シウムの供給量を制御することは、表面生成形負イオン
源の運転効率を向上させ出力を安定させる上で非常に重
要である。

【０００９】図１２は従来のセシウム炉の一例を示す側
面図、図１３は図１２の断面図である。図において、１
２はセシウムが封じ込められる有底円筒状の金属製の炉
本体、１３は炉本体１２の外周部に巻き付けられている
シースヒータ、１４は炉本体１２を図１１のイオン源本
体１側に接続するための接続フランジである。

【００１０】このようなセシウム炉では、炉本体１２内
に封じ込められたセシウムは、シースヒータ１３で炉温
度を１００〜１５０℃に加熱・保温することにより、蒸
気となりセシウム導入口４からイオン源本体１内に導入
される。また、炉温度の変動は、±０．５℃に制御さ
れ、設定炉温度の調整のみによりイオン源本体１内のセ
シウム量が制御される。さらに、炉本体１２内のセシウ
ムの残量及び酸化状態の確認は、その都度運転を中断し
て行われる。

【００１１】また、イオン源本体１内へのセシウムの導
入は、図１４に示すようなセシウム導入管１５を用いて
行われる場合もある。このセシウム導入管１５は、イオ
ン源本体１への伝熱量を最小限にするため、二重パイプ
構造となっている。なお、図１４において、２０は覗き
窓である。また、ビーム出口はイオン源本体１の軸線上
に設けられているため図示されておらず、ガス導入口も
図示されていない。

【００１２】図１５は図１１のコンバータ７を拡大して
示す構成図である。コンバータヘッド９の表面にセシウ
ム膜を形成するに際して、コンバータヘッド９の表面温
度は膜厚に大きく影響する。このコンバータ９の表面温
度の決定要因としては、プラズマ点火用のフィラメント
６から受ける熱と、冷却水流路１１内の冷却水の流量と
が最も重要である。

【００１３】最終的に、セシウムの膜厚は、コンバータ
温度に加えて、セシウム炉温度（セシウム供給量）及び
プラズマによるスパッタ量（セシウム除去量）のバラン
スによって決定される。従って、セシウム膜厚を制御す
るためには、これらの３つの条件をモニタすることが望
ましい。

【００１４】また、図１１のようなイオン源本体１で
は、殆どのセシウムがコンバータヘッド９以外のイオン
源本体１の内壁に付着して消費される。これに対して、
図１６に示すように、断熱された金属板からなるセシウ
ムジャケット１６がイオン源本体１の内側に取り付けら
れる場合もある。この例では、フィラメント６やプラズ
マからの熱によりセシウムジャケット１６の温度が上昇
し、セシウムの付着が防止される。

【００１５】さらに、プラズマ閉じ込めに使用される永
久磁石５を冷却する場合、例えば図１７に示すように、
永久磁石５を冷却チャンネル１７内に配置し、磁石押さ
え板１８により固定する。この場合、永久磁石５は、冷
却水により直接冷却される。また、永久磁石５及び冷却
チャンネル１７は、イオン源本体１の内壁と熱的な接触
が良いため、イオン源本体１の内壁も同時に冷却される
ことになる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】上記のように構成され
た従来の表面生成形負イオン源においては、セシウム炉
内のセシウムの残量や酸化状態等を確認するためにイオ
ン源本体１を大気開放する必要があり、その都度半日程
度の運転停止を要し、運転効率が低下してしまうという
問題点があった。

【００１７】また、セシウム炉温度は、立ち上げ後、設
定された適温に保たれるが、運転時にイオン源本体１の
内壁にセシウムが付着するため、それがセシウム炉とは
別のセシウム発生源となってしまい、セシウム炉温度に
よるセシウムの膜厚制御が困難になってしまい、さらに
セシウムが無駄に消費されるとともに、付着したセシウ
ムを定期的な保守作業時に洗浄する必要があり、運転効
率が低下するとともに、ビームの出力が不安定になって
しまうなどの問題点があった。

【００１８】さらにまた、ビームのイオン種類の変更
は、内部の使用ガスを置換するか、又はコンバータヘッ
ド９の材料を変えることにより行われるが、そのために
はイオン源自体を加速器等から取り外す必要があり、こ
れによっても運転効率が低下するという問題点があっ
た。

【００１９】また、イオン源本体１の内壁からの距離を
一定に保つようにセシウムジャッケット１６を取り付け
ることは容易ではなく、しかも内壁とセシウムジャッケ
ット１６との間にセシウムが蓄積して、セシウムが無駄
に消費され、逆効果になることもある。このように、セ
シウムが無駄に消費された場合、セシウムの充填に手間
がかかり、運転効率が低下するとともに、ビーム出力が
不安定になるなどの問題点があった。さらに、プラズマ
閉じ込めの観点からすると、カスプ磁場を形成する永久
磁石５とプラズマとの間の距離は最小限に保つことが好
ましいが、セシウムジャッケット１６の取付を精度良く
一様に行うことは困難であるため、セシウムジャッケッ
ト１６がプラズマ閉じ込めに悪影響を及ぼし、ビーム出
力が不安定になるという問題点もあった。

【００２０】さらにまた、永久磁石５を冷却するための
冷却水によりイオン源本体１の内壁も冷却されてしまう
ため、内壁にセシウムが付着し易くなり、上述したよう
にセシウムが無駄に消費され、運転効率が低下するとと
もに、ビーム出力が不安定になるという問題点があっ
た。また、永久磁石５としては磁場強度の点からネオジ
ウム系のものが使用されており、冷却水に直接接触する
と腐食してしまうため、永久磁石５にコーティングを施
したり、磁場強度が劣っていても耐食性に優れた別の材
質の永久磁石５を使用する必要があるなどの問題点もあ
った。さらに、冷却チャンネル１７を設けた場合、その
漏水対策が必要となるという問題点もあった。

【００２１】この発明は、上記のような問題点を解決す
ることを課題としてなされたものであり、イオン源本体
を大気開放することなく、セシウム炉内の状態を確認す
ることができ、これにより運転効率を向上させることが
できる表面生成形負イオン源を得ることを目的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る表
面生成形負イオン源は、イオン源本体と、このイオン源
本体に接続されるとともに、内部を確認するための窓を
有しており、セシウムの蒸気をイオン源本体に供給する
セシウム炉とを備えたものである。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
について説明する。なお、各図中、図１１ないし図１７
と同一又は相当部分には同一符号を付し、その説明を省
略する。

【００２４】実施の形態１．図１はこの発明の実施の形
態１による表面生成形負イオン源のセシウム炉を示す側
面図である。図において、２１は炉本体１２に設けられ
た石英からなる窓である。また、シースヒータ１３は、
熱接触を考えて窓２１を避けるように炉本体１２にろう
付けされている。さらに、窓２１が見えるように、炉本
体１２には保温材を巻かずに空気中にさらしておく。

【００２５】このようなセシウム炉では、窓２１を通し
て炉本体１２内のセシウムの状態、即ち残量や酸化状態
などを目視で観察することができる。従って、セシウム
の状態を確認するためにイオン源本体１を大気開放する
必要がなく、運転効率が向上する。

【００２６】なお、窓２１の材料は石英に限定されるも
のではなく、耐熱性に優れ酸化しにくいものであれば、
例えばパイレックスガラス等であってもよい。

【００２７】実施の形態２．図２はこの発明の実施の形
態２による表面生成形負イオン源の要部を示す構成図で
ある。図において、２２はセシウム導入管１５の吹き出
し口付近に巻き付けられたヒータ、２３はヒータ２２か
らイオン源本体１外へ引き出されたヒータリード線、２
４は押さえ板２５を介してセシウム導入管１５の先端部
に取り付けられている荷電変換膜としてのタングステン
膜であり、この実施の形態２のセシウム導入部２６は、
セシウム導入管１５，ヒータ２２，ヒータリード線２
３，タングステン膜２４及び押さえ板２５を有してい
る。

【００２８】次に、動作について説明する。セシウム炉
からセシウム導入管１５を経てイオン源本体１へ導入さ
れるセシウムの蒸気は、ヒータ２２及びフィラメント６
からの熱で１０００℃程度まで加熱される。加熱された
セシウムの蒸気は、タングステン膜２４を通して表面電
離法によりＣｓ^＋の状態に荷電変換される。このＣｓ^＋
は、コンバータヘッド９に印加された負の電圧により誘
導され、コンバータヘッド９に優先的に付着する。

【００２９】ここで、コンバータヘッド９の電位は、プ
ラズマ中ではそのシース効果によりＣｓ^＋に対する動作
がないが、プラズマを発生させるアーク電圧はデューテ
ィファクタの低いパルス電圧であるため、実際にはＣｓ
^＋はコンバータヘッド９に効果的に誘導されることにな
る。

【００３０】従って、セシウムがコンバータヘッド９以
外の部分に付着して無駄に消費されるのが防止され、保
守作業時の洗浄の手間が軽減されるとともに、セシウム
の補充の手間も軽減され、またセシウムの膜厚制御が容
易になる。この結果、運転効率が向上するとともに、ビ
ームの出力が安定する。

【００３１】実施の形態３．図３はこの発明の実施の形
態３による表面生成形負イオン源のコンバータの断面図
である。図において、３１はコンバータヘッド９のフィ
ラメント６（図２）に最も近い部分に埋め込まれている
ヘッド温度検出器としての熱電対、３２はコンバータ７
の先端部の側面を覆うコンバータカバー、３３はコンバ
ータ７を支持するイオン源本体１（図２）の端板、３４
は熱電対３１に接続されているフィードスルーコネクタ
である。

【００３２】このような表面生成形負イオン源では、コ
ンバータヘッド９に熱電対３１を埋め込んだので、コン
バータヘッド９自体の最高温度を容易に検出することが
でき、その検出温度に応じて、セシウム膜の膜厚を制御
することができる。

【００３３】実施の形態４．図４はこの発明の実施の形
態４による表面生成形負イオン源の要部を示す構成図で
ある。図において、３５，３６はそれぞれコンバータ７
の冷却水流路１１の上流部に設けられたバルブ及び流量
計である。

【００３４】この実施の形態４では、熱電対３１で検出
されたヘッド温度に応じて、バルブ３５を動作させ、冷
却水の流量が調整される。例えば、冷却水の流量を絞
り、コンバータヘッド９が破損しない範囲でコンバータ
ヘッド９の温度を上昇させれば、コンバータヘッド９に
セシウムが過度に付着するのが防止される。また、セシ
ウム過多の事態が発生した際に、迅速に回復することが
できる。

【００３５】このように、コンバータヘッド９の表面の
セシウム膜の膜厚、即ちセシウムの付着量を、セシウム
炉の温度以外でも制御することができるようになり、イ
オン源本体１の内壁に付着したセシウムなど、セシウム
炉以外から発生するセシウムの制御も行うことができ、
ビームの出力を安定させることができる。

【００３６】実施の形態５．図５はこの発明の実施の形
態５による表面生成形負イオン源のコンバータを示す正
面図、図６は図５の断面図である。図において、４１は
コンバータヘッドであり、このコンバータヘッド４１
は、４分割され交互に配置されているとともに互いに異
なる金属からなる第１及び第２の表面部分４２，４３を
有している。

【００３７】この実施の形態５では、コンバータヘッド
４１を２種類の金属で構成することにより、同一イオン
源で２種類のビーム生成が可能となる。例えば、電圧を
印加するために高純度かつ適当な導電性の材料（不純物
濃度＝５．５×１０15ｃｍ2，ボロン）を導入したシリ
コンを第１の表面部分４２に使用し、炭素を第２の表面
部分４３に使用する。そして、プラズマガスとしてキセ
ノン若しくはアルゴンを使用する。

【００３８】ここで、通常、φ５０ｍｍ程度のコンバー
タヘッド４１を使用すれば多くの利用に対して必要以上
のビーム強度が得られるため、コンバータヘッド４１を
例えば２分割してもビーム強度の点で支障は生じない。

【００３９】このように、同一イオン源で２種類のビー
ム生成が可能となるため、ヘッド材料交換のためにイオ
ン源本体１（図２）を大気開放して加速器等から取り外
す必要もなく、運転効率が向上する。

【００４０】なお、コンバータヘッド４１に使用する金
属は３種類以上であってもよく、種々の金属を組み合わ
せて使用することができる。

【００４１】実施の形態６．図７はこの発明の実施の形
態６による表面生成形負イオン源のコンバータを示す正
面図、図８は図７のＶIII−ＶIII線断面図である。図に
おいて、４４はコンバータヘッド４１の異なる材料部
分、即ち第１及び第２の表面部分４２，４３にそれぞれ
独立して電圧を印加するためのリード線である。

【００４２】この実施の形態７では、分割された電極
間、即ち第１及び第２の表面部分４２，４３間の距離を
放電が起こらない程度に保ち、これら第１及び第２の表
面部分４２，４３をコンバータヘッド４１に埋め込む。
各表面部分４２，４３には、それぞれ独立したリード線
４４をつなぎ、保護用ガラス管１０とコンバータ支柱８
との間を通してフィードスルー（図示せず）に接続し、
外部から負の電圧を印加する。このとき、電圧を制御す
ることにより、出力されるビームの種類が選択可能とな
る。これにより、同一イオン源から２種類以上のビーム
を出力し、しかもイオン種を切り換えることが容易にな
る。

【００４３】実施の形態７．図９はこの発明の実施の形
態７による表面生成形負イオン源の永久磁石の取付部分
を示す断面図である。この実施の形態７では、プラズマ
閉じ込め用の永久磁石５が、イオン源本体１の凹部１ｂ
に磁石押さえ板５１を介して取り付けられている。凹部
１ｂと永久磁石５との間には、１ｍｍ程度の隙間５２が
設けられている。磁石押さえ板５１には、永久磁石５を
冷却するための冷却水を通す冷却管５３が伝熱セメント
５４により固定されている。また、磁石押さえ板５１
は、イオン源本体１との接触面積ができるだけ小さくな
るようになっている。

【００４４】このような永久磁石取付構造によれば、イ
オン源本体１と永久磁石５との間の伝熱経路が隙間５２
により断熱されているため、従来例のように冷却チャン
ネル内で永久磁石５を直接冷却する必要がなく、従って
イオン源本体１の内壁が高温に保たれる。これにより、
セシウムジャケットを用いることなく、セシウムの付着
を防止して、セシウムが無駄に消費されるのを防止でき
る。この結果、運転効率を向上させることができるとと
もに、ビームの出力を安定させることができる。

【００４５】また、冷却管５３を磁石押さえ板５１に取
り付けるという簡単な冷却構造により、耐食コーティン
グを施したりすることなく、ネオジウム系の永久磁石５
を使用することができ、十分な磁場強度を保つことがで
きる。また、面倒な漏水対策を施すことなく、水漏れ事
故を防止できる。

【００４６】実施の形態８．なお、上記実施の形態７で
はイオン源本体１と永久磁石５との間に隙間５２を設け
たが、例えば図１０に示すように、隙間５２の少なくと
も一部に断熱材５５を挿入し介在させてもよい。これに
より、断熱効果を一層高め、イオン源本体１の内壁をよ
り確実に高温に保つことが可能となる。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明の
表面生成形負イオン源は、セシウム炉に窓を設けたの
で、イオン源本体を大気開放することなく、運転中にも
窓を通してセシウム炉内のセシウムの残量や酸化状態等
の確認を行うことができ、これによりセシウムを効果的
に使用することができ、運転効率を向上させることがで
きるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１による表面生成形負
イオン源のセシウム炉を示す側面図である。

【図２】 この発明の実施の形態２による表面生成形負
イオン源の要部を示す構成図である。

【図３】 この発明の実施の形態３による表面生成形負
イオン源のコンバータの断面図である。

【図４】 この発明の実施の形態４による表面生成形負
イオン源の要部を示す構成図である。

【図５】 この発明の実施の形態５による表面生成形負
イオン源のコンバータを示す正面図である。

【図６】 図５の断面図である。

【図７】 この発明の実施の形態６による表面生成形負
イオン源のコンバータを示す正面図である。

【図８】 図７のＶIII−ＶIII線断面図である。

【図９】 この発明の実施の形態７による表面生成形負
イオン源の永久磁石の取付部分を示す断面図である。

【図１０】 この発明の実施の形態８による表面生成形
負イオン源の永久磁石の取付部分を示す断面図である。

【図１１】 従来の表面生成形負イオン源の一例の要部
を示す構成図である。

【図１２】 従来のセシウム炉の一例を示す側面図であ
る。

【図１３】 図１２の断面図である。

【図１４】 従来の表面生成形負イオン源の他の例を示
す構成図である。

【図１５】 図１１のコンバータを拡大して示す構成図
である。

【図１６】 従来の表面生成形負イオン源のさらに他の
例を示す構成図である。

【図１７】 図１１の永久磁石を冷却する場合の構造の
一例を示す構成図である。

【符号の説明】

１ イオン源本体、５ 永久磁石、７ コンバータ、
９，４１ コンバータヘッド、１１ 冷却水流路、２１
窓、２２ ヒータ、２４ タングステン膜（荷電変換
膜）、２６ セシウム導入部、３１ 熱電対（ヘッド温
度検出器）、５１磁石押さえ板、５２ 隙間。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 イオン源本体と、 このイオン源本体に接続されるとともに、内部を確認す
   るための窓を有しており、セシウムの蒸気を上記イオン
   源本体に供給するセシウム炉とを備えていることを特徴
   とする表面生成形負イオン源。