JPH0375974B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明はデユオ・プラズマトロンやモノ・プラ
ズマトロン型のイオン源とか大型加速器イオン源
等において、イオン・ビーム発生に寄与する陰極
を保護し、長寿命化を図る改良に関する。

＜従来の技術＞ 近年、上記したような各種イオン源装置は、そ
れこそ様々な産業分野でしきりに使われるように
なつてきた。

そうしたイオン源装置は、そのイオン生成に寄
与する陰極の構造のいかんに応じ、二つに分類す
ることができる。

一つは、主たる電子放出部とこの主電子放出部
を加熱するヒータとが、住年の電子管におけるカ
ソードとヒータとの関係のように、完全に別体の
部材で構成されていて、主電子放出面を構成する
部材が、ヒータの主電子放出部を加熱する部分を
覆つているようなものである。便宜上、この構造
に従うものを被覆型陰極と呼んで置く。

他の一つは、例えば線状、棒状、網状部材等、
適当なる材質の単一部材を機械的に折り曲げて、
折り曲げた先端を主電子放出面とした結果、当該
主電子放出面がヒータの一部の表面となつている
か、またはヒータの先端に例えば酸化物や金属等
を付着させて用い、この酸化物表面や、加熱によ
り溶融させた金属表面部分を実効的な主電子放出
部と定義し得るか、さらにはまた適当なる材質の
短い棒状部材の切断面を主電子放出部とする一
方、他の部分に例えば線状のヒータを巻き付ける
等したものである。

したがつて総括すれば、このタイプの陰極は、
“主電子放出部がこれを加熱するヒータ部の一部
として一体化しているか、または主電子放出部の
近傍においてこれを加熱するヒータ部に露出部分
のあるイオン源陰極” と概念することができ、先の被覆型に対応させる
と露出型陰極と呼ぶことができる。

＜発明が解決しようとする問題点＞ 上記した被覆型陰極は、ヒータ部の耐イオン衝
撃性に優れており、物理的な構造として見てもか
なり丈夫に構成されていることが多い。

そのため当然寿命も長いが、しかし、特にその
構造上、使用上の簡便さにおいて劣り、実際上、
比較的小電流で良い場合等には、取扱い容易な露
出型陰極の方が好まれることも多い。

しかしいかんせん、この露出型陰極において
は、主電子放出部における消耗はその原理上、仕
方のないものとしても、この主電子放出部を機械
的に支持し、かつまたこれを加熱するため、ヒー
テイング電源から供給される電流を熱に変換する
に過ぎない部分、すなわち本来のヒータ・フイラ
メント機能をのみ司どつている部分が早期に破断
し、これによつて寿命が限定されてしまうという
欠点があつた。換言すれば、主電子放出部はまだ
使える状態なのに、線路破断によつて使用不可能
となる場合が多かつたのである。

にもかかわらず、従来においてはこれに対する
有効な対策を施したものがなかつた。

それは取りも直さず、上記のような主電気放出
部以外のフイラメント部分での破断要因が正確に
解明されていなかつたがためである。正確な原因
が分からないのに、理論的にも有効性を証明し得
る対策等は立てられるわけがない。

本発明はこうした実情に鑑みて成されたもの
で、理論的にも十分にその妥当性を証明し得る方
策により、イオン源装置における露出型陰極の主
電子放出部以外の無益なフイラメント破断を極力
防止し、もつて当該陰極の長寿命化を図り得る手
段を提供せんとするものである。

＜問題点を解決するための手段＞ 本発明は上記目的の達成のため、まず次のよう
な知見を得ることから始めた。

一般に陰極は、その使用状態においてそのかな
りな部分が常にプラズマ・イオンに晒されるの
で、主電子放出部における消耗はその原理上、仕
方がない。しかし先にも述べたように、露出型陰
極の場合、現状においてはこの主電子放出部が消
耗し切つたがために陰極が使用不可能となること
はむしろ稀で、その寿命は主電子放出部以外のヒ
ータ部分（ないしフイラメント部分）が早期に破
断することによつて限定されていた。

ここで説明の簡単のため、例えば単なる線状部
材折り曲げ加工して形成した露出型陰極を例に採
り、第２図にその破断状態の典型を示すと、当該
破断部１２は主電子放出部１１より数ミリ程度下
で、特にヒーテイング電源１４に関し低電位側の
位置に生じ易い。

また、銅同中に拡大して示してあるように、破
断部１２の両側の部分は当該破断点に向かつて先
細り状になり、表面はスパツタリングによりヒー
タ部材の内部金属組織が露呈し、さらに向かい合
う破断端は少なくともその一方が球状１３になつ
ていることが多い。これば当該破断が溶断であつ
たことを示す根拠となる。

これに対し、もちろん主電子放出部１１も消耗
しているが、その形態は平面状であつて、一部溶
融痕を示すこともあるが、その消耗の程度は未だ
それ程著しくはない。したがつてまず言えること
は、仮にヒータ部での破断（溶断）がなかつたな
らば、この陰極はまだ相当、使えたはずであると
いうことである。

一方、上記破断が溶断１３であつたことに鑑み
ると、これは主電子放出部近傍の当該破断に至つ
た部分１２が使用状況下においてイオン衝撃によ
り選択的にスパツタされ、その結果、少し細くな
り出したがためにその周囲の空間の電位傾度が他
に比して高くなり、そうなるとこの部分に対する
イオン衝撃とこれに伴うスパツタリング損傷がさ
らに増して行くという正帰還現象が生起し、これ
に連れて急激に細くなつて行く部分１２の電気抵
抗値も急速に増し、それがために局所的な異常温
度上昇を来たして当該部分中、最も細くなつた部
分１２で溶断したというメカニズムであつたこと
が窺える。

これに関し、本発明者はさらに、以下述べるよ
うな、より詳細に及ぶ検討を行なつた。

陰極１０のヒーテイング電源側の端部は、第２
図中ではい図示していないが適当なる支持具によ
り機械的に支持されながら、イオン源の外部で自
然に、または強制的に冷却される。したがつて先
端の主電子放出部を挟み、電源接続端に行く程、
温度は下がつて行く。逆にそうであるからこそ、
主電子放出部１１は電子放出に必要な温度を保つ
一部分に限られるのである。

一方、この種のイオン源装置の内部状態につい
ては、J.Kastemakerその他により著された参考
文献：Nuc.Instr.and Meth.、38（1965）1.におい
て、曲面陰極に関する測定結果が本書添付の第３
図Ａのように表されている。

これに従えば、中心軸上での電位分布は同図Ｂ
に示されるようになり、陰極の電子放出面の前
面および中間電極開口部の絞り込みによつて生
ずるフアイア・ボール（カソード側プラズマ）
の周囲にはそれぞれ電気二重層Ａ，Ｂが形成され
る。

そのため、これらを通じて高電位部に向かつて
空間電荷制限電子電流が流れ、また低電位部に向
かつては空間電荷制限イオン電流が流れる。この
場合、各二重層の電位差は、イオン種やプラズマ
密度等によつて異なるが、大体において数十ボル
ト程度である。

このような条件下では、各二重層で加速された
電子は次の空間でさらに活発な電離を行なつて次
第に電離粒子数を増大し、陽極孔において高密度
プラズマが形成される。

またデユオ・プラズマトロンの場合には、上記
に加え、中間電極と陽極の間にても磁場による
絞り込みにより、二重層Ｃが形成される。

ここで二重層Ａを介して主電子放出面を直撃す
るイオン量は、当該層領域Ａの電位に応じて決ま
る空間電荷制限イオン電流によつて与えられる。
この電流はポジテイブ・カラムをドリフトする
イオン電流によつて供給されるものである。

一方、数十ボルトの電位差を持つ二重層Ｂによ
つてフアイア・ボールからポジテイブ・カラム
に供給される空間電荷制限イオン電流は、上記
のドリフト電流を遥かに越える量となる。

したがつて二重層Ａを通じて電子放出面に流入
する以外の余分なイオン電流分は、勢い、他の通
路を通じて電子放出面以外の部分に流入せざるを
得ない。

そのため、結局は最短距離の陰極部分、すなわ
ち第４図に改めて示すように、ここで問題にして
いる露出型陰極構造の場合には、主電子放出部に
隣接した、しかも、より低電位側の部分に対し、
二重層Ａ，Ｂの電位差を合せたエネルギを有する
大量のイオンが流入し易くなる。既述のように、
二重層Ｃが存在する場合には、二重層Ａ，Ｂを通
らずに、さらに高いエネルギを持つたイオン流が
これに加わることになる。露出型陰極構造では、
陰極先端部のみが主電子放出面となるので、二重
層Ａの表面積は二重層Ｂのそれよりも遥かに小さ
くなり、この傾向はさらに助長される。

こうした機構により、主電子放出部の近傍部分
に対し、大量のイオンによる選択的なスパツタリ
ングが生じ、これは低電位側に生じ易く、しかも
その程度は主電子放出部に対するよりも遥かに大
きなものとなる。

プラズマトロン型イオン源等においては、陰極
からの放出電子を最大限に活用して高密度のイオ
ンを生成することを目的とするものであるから、
これに応じて逆拡散イオンもまた非常に多くなる
のは当然の帰結である。

こうした逆拡散イオンによる現象を十分に把握
した結果として、本発明者は次のような構成によ
る露出型イオン源陰極の保護方法を提案するに至
つた。

主電子放出部がこれを加熱するヒータ部の一部
として一体化しているか、または主電子放出部の
近傍においてこれを加熱するヒータ部に露出部分
のあるイオン源陰極の保護方法であつて； 少なくとも上記主電子放出部を露呈させながら
該主電子放出部以外のイオン衝撃を受けるヒータ
部を保護電極で覆い； 該保護電極には上記主電子放出部の電位よりも
相対的に低い電位を与えること； を特徴とするイオン源陰極の保護方法。

＜作用および効果＞ まず、本発明においては、保護電極が追加され
ているので、主電子放出部を除き、保護電極によ
り覆われている部分を機械的ないし物理的に保護
することができる。

換言すればこの保護電極の存在により、とりあ
えず逆拡散イオン流を物理的に受け止めることが
できる。

しかし、単に機械的に覆つただけでは、主電子
放出部を露呈させる隙間から流入するイオン流は
良く防ぎ得ない。

そこで本発明においてはさらに、当該保護電極
に主電子放出部よりも低い電位を与えるべくして
いる。こうすれば逆拡散イオン流に対し電位障壁
を形成することができ、当該逆拡散イオン流は上
記のような隙間に流れ込むより保護電極に流れ易
くなつて、遮蔽能力が向上する。

ただしこの電位差が大き過ぎると、主電子放出
面をこれよりも低い電位で一部または全部に亘つ
て覆うことになり、電子放出が阻害されたり停止
するので、実際上、上記の低電位をどの程度に設
定するかを設計的に案配する必要はある。

なお、本発明の保護方法とは異なり、上記した
解析の結果からすれば、例えば主電子放出部以外
の部分にスパツタリングに対する耐性の高い金属
等を蒸着等でコーテイングする手法も考えられる
が、このようにすると、陰極材料と被覆材料との
熱膨張係数の差により、長時間運転や運転、休止
の繰返しにより、被覆材が用意に剥離するものと
考えられ、そうなると、狭いイオン源の内部空間
中では当該剥離した剥離片が各電極孔に目詰まり
を起こさせたり、あるいはまた電極間を短絡した
りすることが予想される。したがつてこうした手
法は到底採用でき兼ねるのである。

対して本発明方法による保護はそうした問題を
生じ得ず、陰極の長寿命化という本来望ましい結
果をのみ、得ることができる。

実際上、例えば0.8mmφのタングステン線を第
２図示のように折り曲げ加工して陰極として用い
た場合、主電子放出部１１として規定できる領域
の断面積は、通常、破断部の四倍ないし五倍程度
は残つているので、本発明方法を適用すれば寿命
を少なくとも数倍以上、延ばし得ることが分か
る。

しかも、このようにして陰極自体の寿命が伸び
ると、その波及効果としてイオン源のリセツト回
数を大幅に減らし得ることになるから、ひいては
イオン装置の実効稼動能率向上に寄与し、各種製
品のコスト低廉化にも寄与し得るものとなる。

＜実施例＞ 第１図には本発明に従つて構成されたイオン源
が示されている。もちろん、本発明により保護の
対象となるのは、先に定義した露出型イオン源陰
極なので、ここに例示されている陰極１０もその
ようになつており、特に最も簡単な形態として、
単一の線状部材を折り曲げ加工することにより、
その折り曲げ部分を主電子放出部１１としたもの
が示されている。

しかし逆に言えば、他の形態であつても、既述
の表現により露出型陰極として定義可能なもので
あるならば、同様に本発明の適用対象となる。

陰極１０は公知既存の方法によつて良い支持具
１５，１５により機械的に支持され、当該支持具
により支持されている端末部分にヒーテイング電
源１４からの電源電圧が与えられることにより、
少なくとも主電子放出部１１の部分では十分な加
熱状態となるようにされている。

主電子放出部１１を除くその周囲の部分は、こ
の場合、そのほとんどが保護電極２０により覆わ
れており、かつ、この保護電極２０には、ヒーテ
イング電源１４の負端子側を共通接地として、当
該接地に対しさらに負方向の電位がバイアス電源
２２により与えられている。

実際上、この構造は、上端に小さな開口部２１
を有する外、閉ざされた天井面を有する筒状の保
護電極２０を陰極１０の上に被せながら、主電子
放出部１１だけは開口部２１から多少、突出させ
るようにして組立てられている。

このようにすると、先に作用の項において説明
したように、イオン装置内に組み入れられた使用
状況下において、発生する逆拡散イオン電流に対
し、ます物理的に保護電極２０で対抗しながら、
そのバイアス関係によつて電気的にも対抗するこ
とができる。

その結果、既に述べたように、従来何も保護対
策を施さなかつた場合に比し、数倍以上、陰極１
０を延命化できるものとなる。

もつとも、図示実施例に限らず、本発明の要旨
構成に即する種々の改変は十分に可能であり、例
えば組込むイオン装置が特定しており、、またそ
の解析結果、陰極１０の主電子放出部１１以外の
部分にあつてイオン衝撃を受ける部分が位置的に
特定ないしほぼ特定できるような場合には、第１
図示のように陰極全体を覆う必要はなく、そうし
た先端部分の上にのみ、保護電極２０を形成して
も良い。

バイアス電源２２についても、原則としては主
電子放出部１１の電位より低い電位のバイアスを
保護電極２０に印加可能であれば良く、したがつ
て厳密には陰極１０のヒーテイング電源負端子電
位（例えば接地電位）よりは高い電位として良い
こともあり得る。

したがつて、図示の方法は言わば固定バイアス
型であるのに対し、例えば、保護電極と陰極負端
子との間に、第１図のバイアス電源２２の代わり
に適当な値の低抵抗を挿入することにより、保護
電極の電位が主電子放出部より高くならない範囲
でイオン流の変換電圧分によるセルフ・バイアス
を図ることも可能である。

もつとも、このバイアス印加に関しては、図示
されている手法が一番、簡単で安定な手法ではあ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のイオン源陰極保護方法を実施
するに適当な装置構成の一例の概略構成図、第２
図は露出型陰極において従来発生することあつた
破断の説明図、第３図および第４図は破断要因解
析のためのイオン源装置内部の状態的、電気的説
明図、である。 図中、１０は露出型のイオン源陰極、１１はそ
の主電子放出部、１２は破断部、１３は球状溶断
状態、１４はヒーテイング電源、２０は保護電
極、２１は開口部、２２はバイアス電源、であ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 主電子放出部がこれを加熱するヒータ部の一
   部として一体化しているか、または主電子放出部
   の近傍においてこれを加熱するヒータ部に露出部
   分のあるイオン源陰極の保護方法であつて； 少なくとも上記主電子放出部を露呈させながら
   該主電子放出部以外のイオン衝撃を受けるヒータ
   部を保護電極で覆い； 該保護電極には上記主電子放出部の電位よりも
   相対的に低い電位を与えること； を特徴とするイオン源陰極の保護方法。