JP2011034888A - Ion source - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば水素ガスを原料としたイオンビームを発生させるイオン源に関するものである。 The present invention relates to an ion source that generates an ion beam using, for example, hydrogen gas as a raw material.
従来から大きな強度を有したビームを用いて、原子核・素粒子物理、固体物理、物質科学および構造生物学の分野の研究が行なわれてきた。近年は、ビーム強度を上げることができる点から負イオンが着目されている。 Conventionally, researches in the fields of nuclear / particle physics, solid state physics, material science, and structural biology have been carried out using beams with large intensity. In recent years, negative ions have attracted attention because they can increase the beam intensity.
この負イオンの生成方式には、表面生成方式と体積生成方式の2つが一般に知られている。この2方式の中でも、放電プラズマ中の衝突過程で直接に、かつ、多量に負イオンを生成できることから体積生成方式が脚光を浴びている。例えば、水素ガスを原料とした場合、励起水素分子と電子との解離性付着反応を利用して放電プラズマ中で直接、水素負イオンを生成できる技術が知られている(例えば、非特許文献1参照)。 Two methods of generating negative ions are generally known: a surface generation method and a volume generation method. Among these two methods, the volume generation method is in the spotlight because it can generate a large amount of negative ions directly in the collision process in the discharge plasma. For example, when hydrogen gas is used as a raw material, a technique is known that can generate negative hydrogen ions directly in discharge plasma using a dissociative adhesion reaction between excited hydrogen molecules and electrons (for example, Non-Patent Document 1). reference).
この非特許文献1によると、水素負イオンの生成には、二段階の過程が存在することが開示されている。すなわち、図4に示すように、各段階の反応は電子のエネルギーにより分かれており、イオン源において、永久磁石104による局在したシート状の横磁場(フィルタ磁場)をプラズマ室101に設けることで、電子のエネルギー領域を2分化している。これらの領域のうち、反応の第一段階では、フィラメント102の存在する領域でアーク放電することによって生じる高エネルギー(数十eV)の電子とこの高温電子領域(T=数十eV)内の水素分子(H2)が衝突して励起水素分子(H2 *(ν))が生成される。そして、反応の第二段階では、イオンを引き出すプラズマ電極105の開孔部105d付近の空間で、低温電子領域(T≦1eV)内の励起水素分子(H2 *(ν))に低エネルギー(1eV以下)の電子が付着して水素負イオン(H―)が生成されると記載されている。
According to this non-patent document 1, it is disclosed that a two-stage process exists in the generation of hydrogen negative ions. That is, as shown in FIG. 4, the reaction at each stage is divided by the energy of electrons, and in the ion source, a localized sheet-like transverse magnetic field (filter magnetic field) by the
また、同非特許文献1には、水素負イオンの体積生成方式において、水素負イオンの生成量を増加させる手段として、少量のセシウムをプラズマ室101に添加する方法が記載されている。このセシウムの添加は、例えば、図4に示すように、セシウム導入ポート120を用いればよい。
Further, Non-Patent Document 1 describes a method of adding a small amount of cesium to the
上述したように、セシウムが用いられるのは、セシウムが金属単体として仕事関数が最も低いためであり、また、例えばプラズマ電極105の材質として銅を仮定した場合は、プラズマ電極105の表面の仕事関数は、最も低い場合1.64eVとなる(例えば、非特許文献2参照)。
As described above, cesium is used because cesium has the lowest work function as a simple metal, and for example, when copper is assumed as the material of the
このように、セシウムを添加することで、プラズマ室101の内壁面やプラズマ電極105の表面に付着したセシウムから得られる電子を水素原子(H)や水素正イオン(H+)が取り込むことで水素負イオン(H―)を生成する。また、前記セシウムから得られる電子と水素分子正イオン(H3 +)とが反応することで励起水素分子(H2 *(ν))と水素原子(H)を生成する効果が生ずる。この効果により、水素負イオン(H―)の生成量が増加すると言われている。上記反応をまとめて下式(1)、(2)、(3)に示す。
H + e → H― ――― 式(1)
H+ +2e → H― ――― 式(2)
H3 ++ e → H2 *(ν)+ H ――― 式(3)
Thus, by adding cesium, hydrogen atoms (H) and hydrogen positive ions (H + ) take in electrons obtained from cesium attached to the inner wall surface of the
H + e → H ― ――― Formula (1)
H + + 2e → H ― ――― Formula (2)
H 3 + + e → H 2 * (ν) + H ――― Equation (3)
しかし、セシウムの蒸気により、プラズマ室101の内壁面やフィラメント102の汚染をもたらすという問題点が発生する。特に、フィラメント102の汚染は、熱電子放出の低下やフィラメント102の寿命の低下につながるため、問題となる。したがって、定期的なクリーニングをしなければなららいという不便さもある。さらに、セシウムは反応性が高く、大気中で酸化する上に、自然発火の危険性があり、取り扱いが困難であるという問題もある。
However, the cesium vapor causes a problem that the inner wall surface of the
本発明の目的は、クリーンな状態が維持され、長寿命化が可能でありながら、イオンの生成量の増加が可能なイオン源を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an ion source capable of increasing the amount of ions generated while maintaining a clean state and extending the lifetime.
上記目的を達成するために、本発明の請求項1に記載の発明は、
導入されたガスを放電させることでプラズマを生成し、かつ、電流を流すことで加熱されるフィラメントから放出する熱電子により前記プラズマをイオン化するためのプラズマ室と、
前記プラズマを前記プラズマ室に閉じ込めるために、前記プラズマ室の周囲に設けられたカスプ磁場発生用磁場発生手段と、
前記プラズマを高温電子領域と低温電子領域に分離するために、前記カスプ磁場発生用磁場発生手段より下流側に設けられたフィルタ磁場発生用磁場発生手段と、
前記フィルタ磁場発生用磁場発生手段より下流側に設けられ、イオンが通過するための開孔部を有したプラズマ電極と、を備え、
前記プラズマ電極の開孔部側の表面の少なくとも一部にダイヤモンド薄膜を有したことを特徴とするイオン源である。
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 of the present invention provides:
A plasma chamber for generating plasma by discharging the introduced gas, and ionizing the plasma by thermoelectrons emitted from a filament heated by passing an electric current;
Magnetic field generating means for generating a cusp magnetic field provided around the plasma chamber in order to confine the plasma in the plasma chamber;
In order to separate the plasma into a high temperature electron region and a low temperature electron region, a magnetic field generation unit for generating a filter magnetic field provided downstream from the magnetic field generation unit for generating the cusp magnetic field,
A plasma electrode provided on the downstream side of the magnetic field generating means for generating the filter magnetic field, and having an aperture for allowing ions to pass therethrough,
An ion source comprising a diamond thin film on at least a part of the surface of the plasma electrode on the aperture side.
本発明の請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記ダイヤモンド薄膜には、不純物としてリン、ホウ素の少なくともいずれか1つを含有したことを特徴とする。
The invention according to
本発明の請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の発明において、前記ダイヤモンド薄膜の表面が水素終端化されていることを特徴とする。
The invention according to
本発明の請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の発明において、前記プラズマ電極の開孔部の上方に離間して配置され、前記プラズマ室およびプラズマ電極と電気的に絶縁され、かつ、ダイヤモンド薄膜により被覆された多孔を有したチャージ電極が設けられたことを特徴とする。
The invention according to
本発明の請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の発明において、前記チャージ電極の骨格は、金属製の細線からなり、かつ、多数のメッシュを有した形状であることを特徴とする。
The invention described in
以上のように、本発明は、
導入されたガスを放電させることでプラズマを生成し、かつ、電流を流すことで加熱されるフィラメントから放出する熱電子により前記プラズマをイオン化するためのプラズマ室と、
前記プラズマを前記プラズマ室に閉じ込めるために、前記プラズマ室の周囲に設けられたカスプ磁場発生用磁場発生手段と、
前記プラズマを高温電子領域と低温電子領域に分離するために、前記カスプ磁場発生用磁場発生手段より下流側に設けられたフィルタ磁場発生用磁場発生手段と、
前記フィルタ磁場発生用磁場発生手段より下流側に設けられ、イオンが通過するための開孔部を有したプラズマ電極と、を備え、
前記プラズマ電極の開孔部側の表面の少なくとも一部にダイヤモンド薄膜を有しているため、クリーンな状態が維持され、長寿命化が可能でありながら、イオンの生成量の増加が可能なイオン源を提供することが可能である。
As described above, the present invention
A plasma chamber for generating plasma by discharging the introduced gas, and ionizing the plasma by thermoelectrons emitted from a filament heated by passing an electric current;
Magnetic field generating means for generating a cusp magnetic field provided around the plasma chamber in order to confine the plasma in the plasma chamber;
In order to separate the plasma into a high temperature electron region and a low temperature electron region, a magnetic field generation unit for generating a filter magnetic field provided downstream from the magnetic field generation unit for generating the cusp magnetic field,
A plasma electrode provided on the downstream side of the magnetic field generating means for generating the filter magnetic field, and having an aperture for allowing ions to pass therethrough,
Since the diamond electrode is provided on at least a part of the surface of the plasma electrode on the aperture side, the ions can be maintained in a clean state and can have a long life while increasing the amount of ions generated. A source can be provided.
以下、本発明の一実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
(第1の実施形態)
図1は本発明に係るイオン源の第1の実施形態を説明するための概略模式図であって、(a)は全体図、(b)は開孔部電極の拡大斜視図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a first embodiment of an ion source according to the present invention, where (a) is an overall view and (b) is an enlarged perspective view of an aperture electrode.
図1において、1は無酸素銅製のプラズマ室、2はフィラメント、3はプラズマ室1の周囲に設けられたカスプ磁場発生用磁場発生手段としての永久磁石、4は永久磁石3より下流側に設けられたフィルタ磁場発生用磁場発生手段としての永久磁石、5は開孔部5dのある側の面から上方に向かって径が大きくなるようなテーパ部とを有した無酸素銅製のプラズマ電極、6はプラズマ室1とプラズマ電極5との間を電気的絶縁するためのテフロン(登録商標)製の絶縁体、7はプラズマ電極5の内側に沿うように取付けられ、かつプラズマ電極5から取り外し可能な無酸素銅製の開孔部電極、7aは開孔部電極7のフランジ部、7bはフランジ部7aをプラズマ電極5に取付けるための取付孔、7cは開孔部電極7のテーパ部、7dは開孔部電極7の開孔部、8は開孔部電極7の表面にマイクロ波CVDにより成膜されたリン、ホウ素等の不純物を含有し、かつ表面が水素終端化されたダイヤモンド薄膜、9はイオンを下流側へ引き出すための引出電極、9dは引出電極9の中央に設けられた開孔部、10はプラズマ電極5と引出電極9との間を電気的絶縁するためのテフロン(登録商標)製の絶縁体である。この構成では、プラズマ電極5に開孔部電極7を取り付けることにより、プラズマ電極5の開孔部5dにおいて、プラズマ室1側の表面がダイヤモンド薄膜8で覆われることになる。
In FIG. 1, 1 is a plasma chamber made of oxygen-free copper, 2 is a filament, 3 is a permanent magnet as magnetic field generating means for generating a cusp magnetic field provided around the
次に、本発明に係るイオン源のイオン生成原理の概略について、図1を用いながら説明する。 Next, an outline of an ion generation principle of the ion source according to the present invention will be described with reference to FIG.
プラズマ室1内へ導入された水素ガスを放電させることでプラズマを生成し、かつ、電流を流すことで加熱されるフィラメント2から放出する熱電子により前記プラズマを負イオン化する。この時、生成されたプラズマは永久磁石3によりプラズマ室1に閉じ込められる。
Plasma is generated by discharging the hydrogen gas introduced into the plasma chamber 1, and the plasma is negatively ionized by thermoelectrons emitted from the
また、前記プラズマは永久磁石4から発せられるプラズマ室1の内壁に直交する方向を向いた局在したシート状の横磁場(フィルタ磁場)により、高温電子領域(図1のAに示す)と低温電子領域(図1のBに示す)に分離される。
Further, the plasma is generated by a
この高温電子領域において、フィラメント2の存在する領域でアーク放電することによって生じる高エネルギー(数十eV)の電子とこの高温電子領域(T=数十eV)内の水素分子(H2)が衝突して励起水素分子(H2 *(ν))が生成される。また、この反応の他、H2 +、H3 +といったイオンが壁面で中性化される際に、その一部がH2 *(ν)とHになる場合もあるようである。上記反応をまとめて下式(4)に示す。
H2 + ,H3 + + e → H2 *(ν),H ――― 式(4)
In this high temperature electron region, high energy (several tens of eV) electrons generated by arc discharge in the region where the
H 2 + , H 3 + + e → H 2 * (ν), H —— Equation (4)
そして、低温電子領域の負水素イオンを引き出すプラズマ電極5の開孔部7d付近の空間において、低エネルギー(1eV以下)の電子が低温電子領域(T≦1eV)内の励起水素分子(H2 *(ν))に付着して水素負イオン(H―)が生成される。
Then, in the space near the
さらに、ダイヤモンド薄膜8から放出された電子が低温電子領域(T≦1eV)内の励起水素分子(H2 *(ν))に付着して水素負イオン(H―)がさらに追加生成する。
Furthermore, the electrons emitted from the diamond
上述したダイヤモンド薄膜8は、放電により加速された荷電粒子や加速された水素負イオン(H―)の衝突を受けるが、スパッタ耐性が高く、ダメージが小さいため、長期間に渡り使用可能である。また、セシウムのような蒸気による汚染がないため、プラズマ室1等を含めたイオン源としてクリーンな状態が維持できる。
The diamond
また、上述したように、ダイヤモンド薄膜8から供給される電子による水素負イオン(H―)の増加分が見込めるため、イオンの生成量の増加が可能である。
Further, as described above, since an increase in negative hydrogen ions (H − ) due to electrons supplied from the diamond
このように本発明に係るイオン源を採用することにより、クリーンな状態が維持され、長寿命化が可能でありながら、イオンの生成量の増加が可能なイオン源を提供することが可能である。 As described above, by adopting the ion source according to the present invention, it is possible to provide an ion source capable of increasing the amount of ions generated while maintaining a clean state and extending the lifetime. .
(第2の実施形態)
図2は本発明に係るイオン源の第2の実施形態を説明するための概略模式図であって、(a)は全体図、(b)はチャージ電極を説明するためのC部拡大図、図3は同チャージ電極の拡大斜視図である。本実施形態において、図1に示す構成と同一な構成要素については、同一番号を付し詳細な説明を省略し、異なる部分についてのみ詳述する。
(Second Embodiment)
2A and 2B are schematic diagrams for explaining a second embodiment of the ion source according to the present invention, in which FIG. 2A is an overall view, and FIG. 2B is an enlarged view of a portion C for explaining a charge electrode. FIG. 3 is an enlarged perspective view of the charge electrode. In the present embodiment, the same components as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, detailed description thereof is omitted, and only different portions are described in detail.
図2、図3において、11はプラズマ電極5の開孔部5dの上方に離間して配置されたチャージ電極、11aは無酸素銅製の細線からなる接続線、11b、11c、11d、11eは無酸素銅製の細線から形成された多数のメッシュを有した平面状部分であり、4層からなる平面状部分11b、11c、11d、11eが無酸素銅製の細線により互いに接続され組み上げられ骨格をなし、接続線11aに取付けられている。12はチャージ電極11の表面にマイクロ波CVD等により成膜されたリン、ホウ素等の不純物を含有し、かつ表面が水素終端化されたダイヤモンド薄膜である。また、接続線11aはそれぞれ電流導入端子13に接続されている。そして、チャージ電極11に、開孔部電極7に対して1V弱程度の負電圧をチャージ電源14から印加する。これにより、ダイヤモンド薄膜12の表面からの電子放出効率が上がり、かつ生成された水素負イオン(H―)を開孔部7dに向かってより効率的に引き出すことができる。
In FIGS. 2 and 3, 11 is a charge electrode spaced apart above the
また、チャージ電極11と開孔部電極7間の電界により、この領域に存在する低エネルギー電子も加速されるが、印加電圧が1V弱程度のために電子のエネルギーも1eV前後に収まる。したがって、生成された水素負イオン(H―)は、高エネルギー電子との衝突では消滅し易い性質を持つが、上記理由のため水素負イオン(H―)の生成を妨げる要因には成り得ない。このイオン源を稼動する際には、チャージ電源14の出力電圧を1V前後で変えながら水素負イオン(H―)の発生量を測定し、発生量が最大となるように設定すればよい。
Further, the low-energy electrons existing in this region are also accelerated by the electric field between the
また、チャージ電極11は、図3に示すようなメッシュ構造を有した骨格にすることで、低エネルギー電子や励起水素分子(H2 *(ν))、生成した水素負イオン(H―)の消滅を防ぐことができる。これにより、低温電子領域の電子や励起水素分子(H2 *(ν))、生成した水素負イオン(H―)がチャージ電極11と接触して消滅する割合を抑え、かつチャージ電極11の表面で生成した水素負イオン(H―)を開孔部9dまで引き出しやすくなる。上記の理由から、チャージ電極11は例えば0.1mm程度の細線を用い、かつ前記メッシュ構造を有した骨格は、等間隔に空間ができるような格子状の形状が好ましい。
Further, the
以上のように、本実施形態のような構成(図2、図3参照)とすることで、第1の実施形態で説明したような構成(図1参照)に比べて、イオンの生成量をさらに増加させることが可能となる。 As described above, the configuration of the present embodiment (see FIG. 2 and FIG. 3) can reduce the amount of ions generated compared to the configuration described in the first embodiment (see FIG. 1). Further increase is possible.
なお、実施形態1、2においては、開孔部電極7の内部表面にダイヤモンドを成膜し易いように、開孔部7dのある側の面から上部に沿っていくにつれて径が大きくなるようなテーパ部7cを有するような例について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、テーパ部を有さない構成とすることも可能である。また、実施形態1、2においては、ダイヤモンド薄膜8が成膜された開孔部電極7をプラズマ電極5から取り外し可能なように別体で構成する例について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではない。すなわち、プラズマ電極5の開孔部5dのある側の面から上方に向かって径が大きくなるようなテーパ部に直接ダイヤモンド薄膜8を設けても構わない。本発明に係るイオン源においては、これらの技術思想を総称して、“プラズマ電極の開孔部側の表面の少なくとも一部にダイヤモンド薄膜を有した”という文言で定義する。なお、プラズマ電極5の開孔部5d側において、少なくとも開孔部5dの周囲のプラズマ室1側の表面がダイヤモンド薄膜8で覆われていることが好ましい。
In the first and second embodiments, the diameter increases from the surface on the side having the
また、本実施形態1、2においては、一旦伝導帯に電子を励起すれば、真空中へ電子が自然に放出されるというダイヤモンドのみが有する「真空準位よりも高い位置に伝導帯がくる“いわゆる負の電子親和力”」の特徴を活かすために、リン、ホウ素等の不純物を含有し、かつ表面が水素終端化されたダイヤモンド薄膜8を用いた例について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではない。但し、リンがドープされたn型ダイヤモンドは、特に伝導帯に豊富に電子を有し、かつ仕事関数が1.4eVであり、負の電子親和力を有する場合は、非常に電子を取出し易い状態となるので、本発明に係るイオン源においては、より好ましい。
In the first and second embodiments, only the diamond that electrons are spontaneously emitted into the vacuum once the electrons are excited in the conduction band has a “conduction band at a position higher than the vacuum level”. In order to make use of the feature of “so-called negative electron affinity”, an example using the diamond
また、本実施形態1、2においては、プラズマ室1内へ導入されたガスとして水素ガスを用いた例について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではない。 In the first and second embodiments, the example in which hydrogen gas is used as the gas introduced into the plasma chamber 1 has been described. However, the present invention is not necessarily limited thereto.
また、本実施形態1、2においては、プラズマ電極5、開孔部電極7やチャージ電極11に無酸素銅を用いた例について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、プラズマ室1のクリーンな状態が維持され、フィラメント2の長寿命化が可能であり、かつイオンの生成量の増加に支障ない材料であれば構わない。
In the first and second embodiments, an example in which oxygen-free copper is used for the
また、本実施形態1、2においては、ダイヤモンド薄膜の成膜としてマイクロ波CVDによる例について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、さまざまな成膜方法を採用することが可能である。 In the first and second embodiments, the example of the microwave CVD is described as the film formation of the diamond thin film. However, the present invention is not necessarily limited to this, and various film formation methods can be employed. .
1 プラズマ室
2 フィラメント
3,4 永久磁石
5 プラズマ電極
5d 開孔部
6、10 絶縁体
7 開孔部電極
7a フランジ部
7b 取付孔
7c テーパ部
7d、9d 開孔部
8、12 ダイヤモンド薄膜
9 引出電極
11 チャージ電極
11a 接続線
11b、11c、11d、11e 多数のメッシュを有した平面状部分
13 電流導入端子
14 チャージ電源
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (5)
前記プラズマを前記プラズマ室に閉じ込めるために、前記プラズマ室の周囲に設けられたカスプ磁場発生用磁場発生手段と、
前記プラズマを高温電子領域と低温電子領域に分離するために、前記カスプ磁場発生用磁場発生手段より下流側に設けられたフィルタ磁場発生用磁場発生手段と、
前記フィルタ磁場発生用磁場発生手段より下流側に設けられ、イオンが通過するための開孔部を有したプラズマ電極と、を備え、
前記プラズマ電極の開孔部側の表面の少なくとも一部にダイヤモンド薄膜を有したことを特徴とするイオン源。 A plasma chamber for generating plasma by discharging the introduced gas, and ionizing the plasma by thermoelectrons emitted from a filament heated by passing an electric current;
Magnetic field generating means for generating a cusp magnetic field provided around the plasma chamber in order to confine the plasma in the plasma chamber;
In order to separate the plasma into a high temperature electron region and a low temperature electron region, a magnetic field generation unit for generating a filter magnetic field provided downstream from the magnetic field generation unit for generating the cusp magnetic field,
A plasma electrode provided on the downstream side of the magnetic field generating means for generating the filter magnetic field, and having an aperture for allowing ions to pass therethrough,
An ion source comprising a diamond thin film on at least a part of the surface of the plasma electrode on the aperture side.
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