JPS63143799A - 高速原子線源 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は取り出し効率の高い高速原子線を放出する線源
に関するものである。

［従来の技術］ 第２図を参照して従来発表されている気体原子の高速原
子線を発生する高速原子線源のうち運動エネルギーが０
．５〜１０ｋｅＶのアルゴン原子を放射する高速原子線
源の一例を説明する。

図中、１は両端面を有する円筒状陰極、２はリング状陽
極であり、これらはステンレススチール、グラファイト
等の非磁性材料で作製されている。３は０．５〜１０ｋ
Ｖの直流高圧電Ｉ原、４は陰極１の１つの端面に取り付
けられたガス導入孔、５はアルゴンガス、６はプラズマ
、７は陰極１の他の端面に穿たれた高速原子線放出孔、
８は高速原子線である。

以上の構成要素のうちの直流高圧電源３以外を真空容器
（図示せず）に入れる。真空容器中の空気を十分に排気
した後にカス導入孔４からアルゴンガス５を円筒状陰極
１の内部に導入する。陽極２が正電位、陰極１が負電位
となるように直流高圧電源３から、直流高電圧を印加す
る。この印加により、陰極１の両端面とそれらの間にあ
る陽極２との間に各々グロー放電が起こり、プラズマ６
が発生してアルゴンイオンと電子が生成される。

これらの放電において、高速原子線放出孔７を有する側
の端面から放出された電子は、陽極２に向かって加速さ
れ、十分な運動エネルギーを得てアルゴンガス分子と衝
突してアルゴンガスをイオン化する。

ざらに、陽極２に達した電子は陽極２の中央の穴を通過
して、陰極１のガス導入孔４が取り付けられた側の端面
に向かって減速され始め、この端面の近傍に達した電子
は速度を失い、反転してあらためて陽極２に向かって加
速され始める。

以上のように、電子は陽極２を中心に陰極１の両端面の
間を高周波振動し、この過程で多数のアルゴンイオンを
生成する。

また、陰極１の両端近傍の空間は、高周波振動電子の折
り返し点であるために、低速の電子が多数存在する空間
である。また、この空間は陰極２の両端面の器壁に衝突
したイオンによって放出される低速の二次電子が多数存
在する空間でもある。

電子とアルゴンガス分子との衝突によって生成されたア
ルゴンイオンは、陰極１の両端面に向かって加速され、
この両端面付近の空間に突入して、そこに多数存在する
低速の電子と再結合してアルゴン高速原子が誕生する。

イオンと電子の衝突に際しては、電子の質量はイオンの
それに比べて無視し得る程に小さいために、イオンの運
動エネルギーが損なわれることはなく、高速原子の運動
エネルギーはイオンのそれと同程度になる。

このような過程で形成された高速原子は、陰極１の１つ
の端面に穿たれた高速原子線放出孔７から高速原子線８
となって放出される。たとえは、直流高圧電源３を１ｋ
Ｖにすれは加速されたイオンは陰極１の両端面の近傍に
達し、このイオンは約１　ｋｅＶの運動エネルギーを有
しているので、高速原子線８の運動エネルギーも約１　
ｋｅＶとなる。

［発明が解決しようとする問題点１ 以上のような従来の高速原子線源においては、プラズマ
が円筒状陰極の内部全体に広がってしまうために、プラ
ズマ密度を高めることが困難であったので、高速原子線
の取り出し効率がよくないという問題点があった。

本発明の目的は、上述の問題点を解決し、プラズマ密度
を上げて加速されるイオンすべてを高速原子に変換して
取り出し効率のよい高速原子線源を提供することにある
。

［問題点を解決するための手段］ かかる目的を達成するために、本発明の高速原子線源は
、それぞれ中空の円錐台形状の形状を持ち、円錐台形の
それぞれの中心軸を同一にして上底面同士が対向して配
置された２つの強磁性体製陰極と、２つの陰極の間に陰
極と中心軸を同一にして配置され、紡錐台形の形状を持
つ強磁性体製陽極と、陽極および陰極を外囲し、陽極と
陰極とをそれぞれの中心軸方向に磁化させるための磁石
と、陽極と陰極との間に接続された放電用直流高圧電源
とを具備したことを特徴とする。

［作　用］ 本発明は、強磁性体の陰極および陽極と磁石とを併用し
て磁界を狭い空間に集中させることによって、プラズマ
密度を上げて高速原子線を取り出している。そのために
大出力の原子線を効率よく取り出すことができる。

［実施例］ 第１図を参照して、本発明の詳細な説明する。

図において、２１．２２は中空円錐台形の強磁性体、た
とえば純鉄製の陰極、２３は中空円錐台形の強磁性体、
たとえば純鉄製の陽極である。陰極２１．２２および陽
極２３はすべて中心軸を一致させて配設されている。２
４．２５はそれぞれ陰極２１．２２の円錐台形上底面に
穿たれた放電孔、２６．２７は紡錐台形陽極２３の両端
面に穿たれた放電孔である。２８は陰極２１と陽極２３
とを取り囲む磁石、２９は陰極２２と陽極２３とを取り
囲む磁石である。

本実施例においては、２個の磁石２８．２９は陽極２３
のつば部２３八を挟み、かつそれぞれの異極（磁石２８
のＳ極と磁石２ｇのＮ極）を近接させて配設され、また
、磁石２８のＮ極は陰極２１のつば部２１Ａと、磁石２
９の３８ｉ側は陰極２２のつば部２２Ａと接している。

従って、この例では、陰極２１の放電孔２４と陽極２３
の放電孔２６はそれぞれＮ極、Ｓ極となって対向し、ま
た陽極２３の放電孔２７と陰極２２の放電孔はそれぞれ
Ｎ極、ｓ８ｉとなって対向する。

３０は高速原子線、　３１はモニター電極、３２は放電
用直流高圧電源、３３は電流検出器である。

陰極２１．２２と陽極２３とは電気的に絶縁される必要
があるので、磁石２８．２９にはフェライト磁石を用い
るとよい。

磁石２８のＮ極から出た磁力線は、陰極２１の内部を通
過して放電孔２４から、陰′Ｆｉ１２１と陽極２３との
間の空間に出る。そしてその磁力線は放電孔２６から陽
極２３へ入り、陽極２３の内部を通過して放電孔２７に
達する。放電孔２７から、陽極２３と陰極２２との間の
空間に出た磁力線は、放電孔２５から陰極２２に入って
磁石２９のＳ極に達する。

各放電孔はそれぞれ円錐台形または紡錐台形の先端部に
当り、面積が小さいので、放電孔２４と２６との間およ
び放電孔２７と２５との間の空間は磁界が集中している
。

放電用直流高圧電源３２および電流検出器３３以外の構
成要素を真空容器（図示せず）に収めて十分に排気した
後、たとえばアルゴンガスを、真空容器内の真空度が１
Ｏ−２〜１０−’Ｔｏｒｒに達するまで導入する。次い
で、陽８ｉ２３が正電位、陰極２１および２２が負電位
となるように、放電用直流高圧電源３２によって直流高
電圧を印加する。この高電圧印加によって、放電孔２４
と２６との間および放電孔２５と２７との間で放電が起
こり、プラズマが発生する。

このプラズマ中において、陰極２１．２２のそれぞれの
放電孔２４．２５から出た電子はそれぞれ陽極２３の放
電孔２６．２７に向かって加速される。この電子が通過
する、放電孔２４と２６との間および放電孔２５と２７
との間には磁界が集中しているので、電子はこの磁力線
に巻きつくような螺線運動をしながら飛翔する。

放電孔２５から出て陽８ｉ２３に達した電子は、放電孔
２７および２６を通過して陰極２１に向かって減速しな
がら飛行を続ける。陰極２１の放電孔２４に達した電子
はここで速度を失って反転し、あらためて陽８ｉ２３に
向かって加速され始める。電子は、陽極２３を介して陰
極２１と２２との間を高周波振動し、その振動の間にア
ルゴンガスとの衝突を繰り返して多数のアルゴンイオン
を生成する。

上述のような過程を経て生成したアルゴンイオンは、陰
極２１．２２のそれぞれの放電孔２４．２５に向かって
加速される。また放電孔２４．２５近傍の空間は、高周
波振動している電子の折り返し点であり、低速の電子が
多数存在する空間である。この空間に突入してきたフル
ボンイオンは低速電子と衝突・再結合してアルゴン原子
となる。

電子の質量はアルゴンイオンのＸ量よりも遥かに小さい
ので、電子との衝突・再結合に際してのイオンの運動エ
ネルギー損失はほとんどない。

このため、イオンの運動エネルギーはそのまま原子に受
は継がれ、高速原子線３０となって放出される。

高速原子線３０は、陰極２１と２２の両方から放出する
。そこで、陰極２１の中心軸がモニター電極３１のほぼ
中心を通るようにモニタ、−電極３１を配置して、この
モニター電極３１に高速原子が衝突することによって放
出する二次電子流を、電流検出器３３で測定して高速原
子生成のモニターとする。

本発明においては、空間内に磁力線を集中して分布させ
、そのことによってプラズマ密度を高めている。そのた
めに陰極２１．２２および陽極２３には磁化され易く、
しかも高真空中での電子街寮による加熱に耐え、かつ安
定な材料として、純鉄を用いるのが良い。

磁石２８．２９としては、それぞれの陰極２１．２２お
よび陽極２３との接触面に磁束の通過を妨げない厚さの
絶縁体層を設ければＳアルニコ磁石などの合金磁石を用
いることもてきる。また２個の円筒状磁石２８．２９で
陽極２３のつは部２３Ａを挟むのでなく、複数の棒状磁
石を円筒面に沿って配設してもよい。要は陰極２１．２
２と陽極２３とが電気的に絶縁された状態で、各陰極と
陽極をそれらの中心軸方向に磁化させることができれば
よい。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明においては、陰極および陽極
の材料として強磁性体を用い、空間に磁界を集中して分
布させているので、プラズマの発生効率がよく、従来の
線源よりも効率よく高速原子線を取り出すことができる
。また、高速原子線は高速のイオンビームと同様に、ス
パッタ蒸着による薄膜形成、スパッタエツチングによる
微細パターン加工、および二次イオン質量分析による材
料評価等に利用することができる。

さらに、高速原子線は非荷電性であるので、金属や半導
体ばかりでなく、イオンビーム法によるｉ加工１什析等
が適用できないプラスチックやセラ虞ツク等の絶縁物を
対象とする場合にも有効でおり、加工１分析等の能率向
上に非常に有益である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の高速原子線源の一実施例を示す斜視図
、 第２図は従来の高速原子線源を示す斜視図である。 ２１．２２・・・陰極、 ２３・・・陽極、　“ ２４．２５，２６．２７・・・放電孔、２８．２９・・
・磁石、 ３０・・・高速原子線、 ３１・・・モニター電極、 ３２・・・放電用直流高圧電源、 ３３・・・電流検出器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 それぞれ中空の円錐台形状の形状を持ち、該円錐台形の
   それぞれの中心軸を同一にして上底面同士が対向して配
   置された２つの強磁性体製陰極と、 該２つの陰極の間に該陰極と中心軸を同一にして配置さ
   れ、紡錐台形の形状を持つ強磁性体製陽極と、 該陽極および前記陰極を外囲し、該陽極と前記陰極とを
   それぞれの中心軸方向に磁化させるための磁石と、 前記陽極と陰極との間に接続された放電用直流高圧電源
   と を具備したことを特徴とする高速原子線源。