JPH0451929B2

JPH0451929B2 -

Info

Publication number: JPH0451929B2
Application number: JP60104927A
Authority: JP
Inventors: Surojian Joruju; Dein Berunaaru; Jirarudo Furansowa
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 1984-05-16
Filing date: 1985-05-16
Publication date: 1992-08-20
Also published as: DE3562842D1; FR2564636B1; FR2564636A1; EP0165140B1; EP0165140A1; SU1473724A3; JPS6151729A; US4801849A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、面のイオン化により作動するイオン
源に関する。

（従来の技術及び解決すべき問題点）この型式のイオン源は、公知であり、通常、発
生させようとするイオンと同じ性質の中性粒子の
発生源と、中性粒子を吸着し、かつイオンとして
脱着するための少なくとも１個の作用面を有する
イオン化支持体と、中性粒子を、吸着脱着作用に
よつてイオンに変換するイオン化支持体に運搬す
る装置と、このようにそて生成されたイオンの大
部分を方向付けして、所定の方向に放射される１
本のビームにする装置とからなる。

従来より、高温の面から、原子を陽イオンまた
は陰イオンに脱着できることは、公知である。

この現象を支配している重要なパラメータは、
第１にイオン化支持体の温度及び電子を抽出する
のに必要な仕事を表わす仕事関数であり、第２に
脱着要素のイオン化傾向である。このイオン化傾
向は、イオン化が正反応か負反応かによつて、イ
オン化ポテンシヤル、または電子親和力で表わさ
れる。

このような脱着過程で得られるイオン化度は、
サハーラングミユア（Saha−Langmuir）の方程
式で表わされる。この方程式によれば、イオン化
度は、加熱された支持体から放出されるのに必要
な仕事と、陽イオンのイオン化ポテンシヤルまた
は陰イオンの電子親和力のいずれかとの差の指数
関数である。

特定のイオンを生成するためには、イオン化支
持体の材料を適当に選択することによつて、１に
近いイオン化の確率を得ることができる。この場
合に、支持体の温度は、イオン化の確率にほとん
ど影響を与えない。しかし、この温度は、脱着過
程を支配する重要な要因である。特に、吸着され
た原子が、支持体の面上にある時間の長さに影響
を与える。

このように、たとえばカリウム、ルビジウム、
またはセシウムのようなアルカリ原子のジエツト
流を受ける高温度面が、吸着されたイオンをそこ
に集積することなく、一定不変の状態の下で、原
子を吸着する単位面積当りの割合は、中性粒子の
入射フラツクス及び支持体の温度によつて決ま
る。

しかし、吸着された原子の存在により、仕事関
数が変化して、イオン化の確率が影響を受け、特
に大幅に減少する。このように、イオン源の動作
は複雑である。

イオン源の主な特徴の１つは、明るさであり、
次式で表わすことができる。

dI＝B.ds.dΩ.dE ここで、dIは、ＥとＥ＋dEとの間にあるエネ
ルギ帯において、角度θ及びφで定められる一方
向に関して決定される立体角dΩをもつて、表面
要素dsから発生するビームの強度である。すなわ
ち、明るさＢは、角度θ，φ及びエネルギＥの関
数である。

簡単な例として、円形の貫通孔を有する平らな
電極と平行をなす平らな発生面を考える。この放
射面と、大地電位にある電極との間には、正また
は負の電位Ｖがあるものとする。

明るさＢは、方位角φとは無関係であり、かつ
ランバート（Lambert）のコサイン法則に従い、
法線に対する放射方向の角度θの関数として変化
するものと仮定する。明るさＢは、次式で表わさ
れる。

Ｂ＝１／π・Ｖ／E_p・dJ_p／dE_p E_pは、放射面から放射される粒子の初期エネル
ギであり、J_pは、放射面における粒子の単位面積
当りの流量、いわゆる流量密度である。

この実施例では、熱イオン源によつて放射面か
ら放射されるイオンに与えられる初期エネルギ
は、低い値であることがわかる。さらに、中性粒
子の入射フラツクスを決める到来関数（fonction
d′apport）が、流量密度J_pを制御することから、
大きな影響を与えるものであることがわかる。

公知のイオン源は、焼結タングステンのペレツ
トをイオン化部材に使用する。タングステン粒子
の間に存在する間隙内に、アルカリ気体が入り込
む。このペレツトを、約1200℃の温度に加熱し、
タングステン粒子間から発生するイオンを加速さ
せるために、電界の中に配置する。

中性粒子の発生源は、液体セシウムの液漕であ
り、その温度は、セシウムの気体の圧力が、焼結
タングステンのペレツトの細孔を介して、前記気
体セシウムが拡散しうるように十分に高くなるよ
うに、調整される。

この第１の公知のイオン源は、イオン化される
原子が、イオン化支持体を通過するという特徴を
有する。

この型式のイオン化源は、使用する放射面を大
きくすれば、流量を大きくすることができる。

これは、細いビームを発生するイオン源を用い
るイオンゾンデ、イオン探針の製造に不利であ
る。実際には、そのために小さい放射面を製造す
ることが困難であるので、比較的大きな放射面を
使用しなければならず、生成されるイオンの大部
分が、ダイヤフラムによつて除去されることにな
る。

第２の公知のイオン源は、熱フイラメントを使
用する。これは、電子銃と概ね同様に構成され
る。

すなわち、Ｕ字形の屈曲形状をなすフイラメン
トを、スクリーングリツド及び制御格子の両方の
作用を有する電極を貫通する円孔の中央に配置す
る。

フイラメント及び制御格子を、ともに正の高電
圧とし、かつ、円形貫通孔を有する大地電位の、
電子銃のアノードに相当する電極の反対側に配置
する。

フイラメントとアノードに相当する前記電極と
の間の空間に、隣接する炉から気体セシウムを充
填する。セシウム原子は、フイラメントの頂点で
イオン化され、電界により加速されて、アノード
の孔から放射されるので、これらのイオンは、見
かけ上、小型のイオン源から放射されたものと考
えられる。この公知の装置により、イオン探針を
製造しうる十分に小型のイオン源が提供される。

しかし、この装置には、２つの重大な欠点があ
る。

その第１は、5KV以上の電圧では、絶縁体が
金属で被覆されたり、電子の非励振放射が生じる
等、解決困難な原因によつて、フラツシオーバが
頻繁に発生することである。第２は、気体セシウ
ムが、出口孔から漏出して、装置の他の部分で液
化することである。

第３の公知のイオン源は、イオン化支持体が、
バフルとして形成されており、このために、イオ
ンビームとなつて放射される中性粒子の数が少な
くなる。

この装置は、放電管に関するフランス国特許公
報第65999号に開示されている。そのバフルは、
非常に簡単なものであり、中性電子が直接的に伝
播する場合に限り、機能を発揮する。

しかし、前記公報に開示されているイオン源
は、輝度が低く、エネルギが相当分散し易く、か
つかなり大型である。さらに、放電管に使用する
ためのものであるから、安定性を欠き、かつ放電
管内部に気体が充満することになる。

また、米国特許第3283193号明細書には、接触
反応により発生期の水素を生成するというかなり
特殊な環境下で使用されるバフルが開示されてい
る。この場合には、電子のボンバードメントによ
つて、水素原子を、それらが分子に再結合するの
に必要な時間の経過前に、部分的にイオン化す
る。

このイオン源も、輝度が低く、大型であり、か
つエネルギが分散されることが明らかである。ま
た、ほとんどの水素原子が有効にイオン化されな
いので、不安定であり、かつ気体がイオン化装置
の外部に漏出することになる。

（問題点を解決するための手段）本発明は、従来のイオン源よりも明らかに有利
であり、かつ新規なイオン源を提供することを目
的とする。

すなわち、必要に応じて、非常に明るくできる
非常に小型の放射面を備えること、中性原子また
は中性粒子が、装置の他の部分に、直接に流れて
いくことがないこと、フラツシオーバを生じるこ
となく、加速電圧を10KV以上にできること、低
圧で使用できる固体の中性粒子発生源を使用し、
それによつて、液体金属を使用する必要がないこ
と、エネルギ分散度が低い安定したイオンビーム
を発生できること、及び、カソードのスパツター
による電極の侵食を防止できるように、幾何学的
に十分設計されたイオンビームを発生できること
である。

本発明は、面イオン化により作動するイオン源
であつて、生成されるイオンと同じ性質の中性粒子の発生
源と、前記発生源と反対側の端部に配置された出口孔
以外は、閉鎖されているダクトを、前記発生源と
ともに画定する装置と、前記出口孔に対面する位置にあり、中性粒子を
吸着してイオンに脱着するための作用面を有し、
かつ中性粒子のイオンビームの通路と反対側にあ
るバフルからなるイオン化支持体と、このようにして生成されたイオンを、選択され
た方向に放射されるビームに集束するための装置
とからなり、前記イオン化支持体が、前記出口孔と同軸をな
し、かつ前記閉鎖ダクトの断面をそのまま縮小し
た断面形状を有する円筒状の通路を内部に形成す
る肉薄の導電性部材の積層体からなり、この肉薄導電性部材の中の１個が、前記通路を
横切つて伸延し、かつ前記出口孔と反対側に前記
作用面を画定する中央部を有する板材からなり、
かつ、該中央部の周囲に、前記板材を貫通する周
辺孔が設けられていることによつて、中性粒子
が、予め前記イオン化支持体の作用面と衝突する
ことなく、直接に放射ビームの中に進入すること
を防止できるほぼ完全なバフルが形成されるイオ
ン源が提供される。

イオン化支持体を、ダクトの端部に取り付けら
れた導電性キヤツプ内に収容すると、有利であ
る。このダクトは、出口孔を除いて、前記キヤツ
プにより完全に閉鎖される。ダクトの寸法は、イ
オン化支持体によりもたらされるバフル効果を保
持しうるように、決定される。

集束装置が、貫通孔を有し、かつ作用面と出口
孔との間に、イオンを加速して放射線ビームを発
生させるための電界を発生させるようにした外部
集束電極からなること、好都合である。

作用面と外部電極との電位差が、少なくとも
10KV以上であり、かつ出口孔が、幅0.2〜0.3mm
であり、かつ外向きにラツパ状に開口していると
よい。

イオン源が、イオン化支持体を、1000℃乃至
1500℃の範囲内の温度に加熱するための加熱装置
を備えていると、好都合である。

上述のような条件下で、中性粒子の発生源は、
ガスを発生することなく、熱分解によつて中性粒
子を供給する固体化合物であると都合がよい。

出口孔と対面するイオン化支持体の作用面は、
凸状に湾曲させることができる。

以下に述べるように、このイオン源は、特に陽
イオン化されるアルカリ原子、及び陰イオン化さ
れるハロゲン原子について使用するのに適してい
る。

イオン化作用面を適当に配置することによつ
て、中心においても、周辺部分においても、イオ
ンの密度が同じであるビーム、またはイオンの大
部分が、放射線の軸上に集中しているようなビー
ムを得ることができる。

（実施例）本発明によるイオン源は、その幾何学的構成に
本質的な特徴を有する。この結果、添付図面は、
本発明の構成に欠くことができない事項を表示
し、本明細書中の説明を十分に補足し、かつ本発
明の内容を明確にするためのものと考えることが
できる。

中性粒子発生源１は、円筒状の側壁１１と、ア
ルミナ支持体１５と係合するための下方に延出す
るスリーブ１４に固定された底１２とからなる。
アルミナ支持体１５を除いて、第１図乃至第２図
に示すイオン源は、金属で作られている。

容器１には、イオン化支持体２へ中性粒子を送
る送給装置３を構成する円管状金属ダクト３０に
接続するベル３１が、被装されている。ベル３１
は、側壁１１に螺合されており、かつそれらの間
には、銅製のシールリング１９が配置されてい
る。

容器１内には、熱分解によつて気体を発生させ
るための固体化合物１０が収容されている。この
気体は、イオン化できるものであつても、イオン
化できないものであつてもよい。固体化合物は、
圧縮成形体であつても、離散粒子であつてもよ
い。

ここでは、セシウム、ルビジウム、カリウムの
イオンのような正アルカリイオンについて考える
ことにする。これらのイオンは、そのイオン化ポ
テンシヤルが、ほとんどの金属の仕事関数よりも
小さいので、重要である。上述したように、この
ような環境下では、脱着による正イオン化の確率
は、ほぼ１となる。

これらに対応する中性原子は、場合によつては
イオンとともに、たとえばアルミノケイ酸塩、ヨ
ウ化物、または炭酸塩等の化合物を熱分解するこ
とによつて生成される。アルミノケイ酸塩は、残
留物が固形物だけであり、かつガスを全く発生し
ない点で、特に利点がある。

ダクト３０の上端には、出口孔５０を除いて、
ダクト３０を完全に閉鎖するキヤツプ５１が設け
られている。出口孔５０は、上方に円錐状に開口
しており、Ｖ字の両足を押し拡げたような縦断面
形状を有する。

キヤツプ５１の周縁は、ダクト３０上の相当な
長さに亘つて、軸方向に延出している。たとえば
モリブデン製のキヤツプ５１の内壁に、機械加工
により刻設された溝内には、電子ボンバードメン
トにより溶接されたニツケル製のシールリング５
３が収容されている。

このイオン源の電位を上げて、たとえばダクト
３０または第３図に示すように容器１の電位を、
10KVとする。

出口孔５０の正面に、大地接続された電極５５
を配置する。電極５５の構造は、第３図を用いて
後述する。

キヤツプ５１と、出口孔５０と、電極５５との
組合せによつて、イオンを１本のビームに集束さ
せて、選択された１方向に放射するための集束装
置５が構成される。

このイオンは、キヤツプ５０と、ダクト３０の
上端との間に嵌装されたイオン化支持体２によつ
て、生成される。

イオン化支持体２を、第２Ａ図に詳細に示す。

イオン化支持体２は、ダクト３０に押圧される
第１の環状ワツシヤ６１と、４個の貫通孔６５，
６６，６７，６８を有する板６２と、第２のワツ
シヤ６３と、第３のワツシヤ６４とからなり、そ
れらの組合せを、キヤツプ５１の下面２５に押圧
したものである。第３のワツシヤ６４は、任意に
よるものであり、設けても、設けなくてもよい。

板６２とキヤツプ５１の内面２５との間の距離
を変化さることにより、または、出口孔５０、貫
通孔６５，６６，６７，６８、及びこれらの貫通
孔の中心を円周上に有する円の直径を変化させる
ことにより、容器１からのアルカリ原子が、出口
孔５０と対面する板６２の面２０に当たつた場合
にのみ、イオン源から出ることができるような、
ほぼ完全なバフル６を構成することができる。

従つて、容器１から生成される中性粒子のほと
んど全部が、出口孔５０から出ることができな
い。

この現象は、複雑であり、かつ現在の時点ま
で、完全に解明されていない。

以下の特徴は、有効なバフルを得る際に重要で
ある。

すなわち、中性粒子が、ダクト３０から出口孔
５０に直接通過する可能性が、全くまたはほとん
ど無いこと、バフル６が、円形内壁２１，２２，
２３，２４によつて横方向に制限され、さらにキ
ヤツプ５１の内面２５によつて、軸方向に制限さ
れており、中性原子が、必ずこれらの壁と１回ま
たは２回以上衝突した後に、出口孔５０を介して
放射されるイオンの大部分が発生する作用面２０
と接触すること、及び、作用面２０と内面２５と
の間の距離が、できる限り小さいことである。

他の要因は、たとえばセシウムの気体のよう
に、使用される気体内の中性原子の平均自由行路
である。この平均自由行路は、一般にかなりの長
さを有するが、それと、ダクト３０の寸法及びバ
フル６の各構成要素の寸法との関係は、まだ解明
されていない。

壁面２１，２２，２３，２４及び内面２５は、
作用面２０と同様に金属製であり、それ故に、吸
着、脱着によりイオンを生成することができる。
このようにして生成されたイオンは、主作用面２
０上で吸着されて、脱着され、直接に出口孔５０
から出て行くイオンはほとんど無い。

円錘形をなして拡がつている出口孔５０の頂点
の半角は、約30度であり、電子のとる軌跡が、第
２Ａ図示の主放射方向Ｄに対して、最初から相当
の角度をもつて傾斜している場合もありうる。イ
オンを方向Ｄに加速する電界の作用によつて、こ
れらの軌跡は、軸方向に戻るように曲げられる。

さらに、肉厚が、積層体の他の構成要素６１，
６２，６３と同様に0.1mmである第３ワツシヤ６
４を取り外すことによつて、中性原子が、ダクト
３０から直接出口孔５０に通過するのを防止でき
る。ワツシヤ６４を取り外すことにより、作用面
２０と内面２５との距離が、減少する。

上述の実施例において、バフル６は、板６２
が、その中心に対して規則的に配置された４個の
偏心孔６５，６６，６７，６８を有するように構
成されているが、このような配置に限定されるも
のでないことは、言うまでもない。

孔の数は、多くすることもできるし、中心から
外れている限り、不規則に配置することもでき
る。または、中央部分２０を支持するために十分
な部だけを残して、板６２に扇形の開口を形成す
ることもできる。

ほとんどの実施例において、ダクト３０の端部
と、キヤツプ５１と、板６２及びワツシヤ６１，
６２，６３とを、1000℃から1500℃の範囲内の温
度に加熱する必要があ。容器１も、その中に収容
されている化合物を熱分解するために、加熱しな
ければならない。これらの２つの加熱は、別個に
行なわれる。

第３図の実施例においては、所望の温度が得ら
れるように調整可能な電流が供給されるフイラメ
ントＦから、電子ボンバードメントにより、加熱
が行なわれる。

ダクト３０の断面及び長さは、加熱されるイオ
ン化支持体による熱損失が、容器１とその中にあ
る、たとえばセシウム、アルミノケイ酸塩の化合
物とを、十分な温度にすることができる程度とな
るように、決められるので、容器１の加熱を別個
に行なうことは、本質的な問題ではない。

さらに第３図において、金属製支持台８０に
は、熱スクリーン８３の背後に保護されている金
属製電極８２を支持するアルミナのスペーサ８１
が、取付けられている。

イオン源を構成する各構成要素１４，１５，
１，３，５１は、第３図の中央に示されている。
フイラメントＦは、キヤツプ５１の周囲に配置さ
れており、アルミナのスペーサ８１を介して、電
気接続線８６から電力が供給される。

電極５５は、イオン源の上方に配置されるが、
本実施例の場合には、イオンが通過する中央孔５
８を有する円環形状に形成されている。中央孔５
８から幾分下流の位置に、電極５５は、中央孔を
有するタンタルの熱スクリーン５６を支持してい
る。

さらに下流の位置には、大地接続された電極５
５のために、支持部材５９によつて、破線により
図示されたレンズ９０が支持されている。このレ
ンズは、９５から正の高電圧を受ける。

電極５５の下側には、一点鎖線で図示される空
房８９が連設されており、該空房は、イオン源を
周囲の環境から隔離するためのものであつて、そ
の内部に、適当な使用状態が得られるような部分
的な真空状態を作り出すことができる。

レンズ９０は、イオン源の用途の関数として選
択される。イオン探査機に使用する場合には、レ
ンズ９０は、本発明によるイオン源により構成さ
れる見かけの点放射源の実像を作り出す役目をも
つ。

実験結果によれば、このようにイオン源を使用
することにより得られる見かける点放射源の直径
は、各構成要素の寸法を図面に示す大きさとした
場合に、約50ミクロンとなる。この形状は、従来
装置の形状に対して、上述のような利点を有す
る。

前記イオン探査機のコア部分は、キヤツプ５１
と、好ましくは作用面２０と内面２５との間の距
離と同程度に、できる限り薄いバフルと、イオン
源の作用面２０からイオンを抽出するために、で
きる限り強い電界を該作用面につくり出す機能を
有するイオン抽出用の電極５５とからなる。強い
電界を設けることによつて、出口孔５０の直径を
増大させることなく、必要な明るさを得ることが
できる。

抽出度の高い強電界を使用する場合には、放射
されたビームのイオンが、それを集束する電極５
５の壁部の貫通孔５０の周辺部分に衝突するのが
観察された。

電極５５は、ビームの陽イオンが衝撃しても、
ほとんど陰イオンを発生しない、たとえばタンタ
ル等の材料からなる。しかし、この陽イオンの衝
撃によつて、反射して＋10KVのキヤツプ５１を
衝撃する電子が生成される。

さらに、この寄生現象によつて、キヤツプ及び
イオン源の他の部分が加熱される。この結果、加
熱用の電力の供給が減少するので、イオン源の温
度を制御することが、不可能になる。

第４図及び第４Ａ図には、上述の寄生現象を利
用した実施例が示されている。

電極５５の下面の出口孔５８の周囲に、絶縁部
材５７Ａが配置され、自由端をなす内縁部が出口
孔５８と同軸をなす環状電極５７を支持してい
る。

この追加の電極５７に、電位Ｐ＝−350V程度
のバイアス電圧を印加することによつて、第２の
放射が防止される。すなわち、集束用の電極が、
初期の陽イオンの衝撃を受けることによつて生じ
る２次電子及び２次陰イオンの発生が防止され
る。

さらに良い方法としては、追加の電極５７に、
Ｐ＝＋320V程度の正のバイアス電圧を印加する
ことによつて、第４Ａ図に示すように、２次電子
及び全ゆる２次イオンを、イオン源の作用面２０
上に集中させることができる。

この場合、先の実施例と同様に、フイラメント
Ｆを用いてキヤツプ５１を加熱することによつ
て、イオン源を作動状態にすることができる。さ
らに、追加の電極５７のバイアス電圧を調整し
て、２次電子を作用面２０上に集中させる。この
ときに、フイラメントＦによる加熱を停止させ
て、または少なくとも弱めて、各構成要素１，
２，３，４，５からなるイオン化装置の外壁を介
して生じる熱損失を補償することができる。

本発明の実施例の変更例を以下に述べる。

上述の実施例において、イオン源の作用面は、
基本的に面２０である。しかし、十分な温度に加
熱された同一金属からなるすべての面は、一定の
範囲において、作用面として機能する。たとえ
ば、上述した通り、キヤツプ５１の内面２５、及
び各側面２１，２２，２３，２４である。

前記各側壁から発生したイオンは、次に作用面
２０と衝突して、イオン状態のまま該作用面から
離れ、加速されて、第３図に示すように、出口孔
５０及び中央孔５８から放射される。

しかし、出口孔５０に近接する面２５の縁から
放射されたイオンは、電界と遭遇し、その作用に
よつて湾曲した軌跡を経て、さらに衝突を生ずる
ことなく、孔５０及び５８から放射される。

これによつて、本発明により得られる見かけの
点放射源の小さい寸法が変更されることはない。
実際には、それによつて、単に密度が大きくなる
だけである。

しかし、ビームとして放射されるイオンの分布
は、もはや正規分布に近い形ではなく、かつ主方
向Ｄに集中しているが、反面、その分布はかなり
広範であり、別言すれば、ビームの周辺部分が強
化されている。

イオン探査機として使用する場合には、１個ま
たは２個以上の静電レンズ９０からなる光学式縮
小装置により、見かけの点放射源の寸法を、小さ
くする必要がある。光学的不変性のために、この
ような装置を用いてビームの寸法を縮小すると、
いかなる場合にも、開口角度が増加することにな
り、その結果、開口収差が増加することにより、
小型の探査機を製造しようという目的に反するこ
とになる。

このために、ダイヤフラムを適当に嵌装するこ
とによつて、開口角度を小さくする必要が生じ
る。このような条件下において、開口角度が小さ
い場合には、上述の円形周縁部からイオンが放射
されないことになるので、イオン探査機を製造す
るためには役立たない。

第２Ｃ図に示す実施例においては、六ホウ化ラ
ンタンの薄肉円板を、キヤツプ５１の内面２５に
接触させて配置することができる。この円板６４
Ａは、出口孔５０と概ね同じ寸法の中央孔を有す
る。円板６４Ａの代わりに、蒸発によつて形成さ
れる六ホウ化ランタンの被覆を使用することもで
きる。厚さが小さくなるので、抽出電界が増大す
る。

金属と異なり、六ホウ化ランタンは、たとえば
セシウム等のイオン化エネルギよりも小さい仕事
関数を有する。この結果、六ホウ化ランタンの円
板に衝突するセシウム原子は、中性原子となつて
それから離れ、かつ唯一のイオン化面である作用
面２０Ａに衝突する。

このような作用によつて、出口孔５０の周囲に
ある部分２５の周縁から得ることのできたイオン
ビームが、失なわれるのではないかとの懸念があ
つた。しかし、予想に反して、事実は逆であるこ
とがわかつた。

アルカリ原子が作用面２０Ａに供給される際の
条件を変更させると、イオン源の明るさが改善さ
れるようになる。

この現象については、完全に解明されていない
が、他の効果、たとえば六ホウ化ランタンからの
電子放出、または、六ホウ化ランタンと、板６４
Ａの内面と作用面２０Ａとの間に電界を生じさせ
る板との接触電位差などによるものと考えられ
る。また、空間電荷効果も発生しうるが、この場
合には、第２Ａ図及び第２Ｃ図の形状とは異なつ
たものとなる。

さらに、板６２の作用面２０Ａをできる限りボ
ンバードメントすることによつて、イオン源をさ
らに点源状のものとすることができることがわか
つた。すなわち、第２Ａ図の面２０を、第２Ｃ図
に示すように、出口孔５０に面する部分を高い凸
面２０Ａに形成すればよい。

他の実施例では、中心が中空の円錘状ビームを
発生させるのが望ましい場合もある。この場合に
は、板６２の少なくとも面２０を、六ホウ化ラン
タンの板と取り替えて、イオンの発生を、出口孔
５０の周囲の面２５の円形周縁部分のみに限定す
ればよい。

以上の説明は、すべて陽イオンの生成に関する
ものである。本発明によるイオン源は、陰イオン
の生成にも使用することができる。

このためには、前記イオン化装置と電極５５と
の間の電圧を、全く逆の−10KVにする必要があ
る。この場合、追加の電極５７は、＋320Vのバイ
アス電圧に印加され、陽イオンの放射を防止す
る。

この最後の実施例が、金属面２５と六ホウ化ラ
ンタンからなる面２０とを有することは明らかで
ある。陰イオンの場合には、電子親和力が高い要
素により、イオンビームが、面２０から放射され
る。このイオンビームは、非常に小さな点源から
発生し、イオン探針として使用するのに適してい
る。

たとえば、ヨウ素の結晶体を容器内に配置し、
少し加熱して、ヨウ素の気体を生成する。ヨウ素
原子は、金属面上ではイオン化しないが、六ホウ
化ランタン上ではイオン化する。

逆に、中心が中空である円錘状ビームを発生さ
せる場合には、第２Ｃ図の型式の形状を使用する
が、面２０Ａをボンバードメントする必要はな
い。

さらに、イオンを中央部分及び周辺部分に有す
る非常に強いビームを発生させる場合には、第２
Ｃ図と同様の構成を使用するが、六ホウ化ランタ
ンを、板６４Ａだけでなく、作用面２０Ａについ
ても使用し、他の実施例の場合と同様に、ボンバ
ードメントされるようにする。

一般に、陰イオンは、ヨウ素だけではなく、た
とえば塩素等のハロゲンを使用して生成すること
ができる。アルカリ原子から陰イオンを生成する
こともできるが、利点が少ないと思われる。

一般的に言つて、作用面の材質が、発生するイ
オンのイオン化ポテンシヤルよりも大きい仕事関
数を有する場合には、陽イオンのイオン化の確率
は高い。

陰イオンの場合には、作用面が、発生するイオ
ンの電子親和力よりも小さい仕事関数を有するこ
とが望ましい。

上記においては、イオン化の確率または電子親
和力が、非常に重要であると認められる。これら
は、イオン銃のような非常に明るいイオン源をつ
くる場合に必要である。

別の応用例としては、未知の材料を分析する質
量分析器への入口に、イオン源を使用したものが
ある。

この場合には、未知の材料を容器１の中に配置
し、加熱して、その材料の特性を表わす中性また
はイオン化された原子を発生させる。これらのイ
オンは、本発明によるイオン源を用いて、容易に
ビームにすることができる。

このような装置に応用する場合に、イオン源の
明るさは、あまり重要ではない。しかし、それ以
外の以下の諸点が重要である。すなわち、中性粒
子の発生源に、高い気圧を必要としないこと、イ
オン発生面の面積が小さく、かつビームの形状が
完全に制御されること、全ての中性原子が、イオ
ン化作用面と衝突した後に、イオン源から放出さ
れること、及び、高い加速電圧を使用できること
である。

出口孔５０の幾何学的形状は、必らずしも円形
である必要はない。下流での作業に必要なイオン
ビームの形状により、変更することができる。

上述のイオン源は、いずれも垂直方向い設置し
て使用するものである。しかし、各構成部分を、
同様の関連を維持しつつ、配置変更することによ
つて、傾斜位置、または水平位置においても使用
できる。但し、中性原子の発生源１は、固体化合
物１０を収容し続けることができるように、変更
を加える必要がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によるイオン源の主要部の縦
断面図である。第２Ａ図は、第１図のイオン源の
上端を示す拡大図である。第２Ｂ図は、第２Ａ図
を下方から見た図である。第２Ｃ図は、本発明の
別の実施例を示す第２Ａ図と同様の拡大図であ
る。第３図は、第１図のイオン源を備えるイオン
源装置の縦断面図である。第４図は、本発明によ
るイオン源を使用したイオン源装置の別の実施例
である。第４Ａ図は、第４図のイオン源装置の部
分拡大図である。１……中性粒子発生源、容器、２……イオン化
支持体、３……送給装置、５……集束装置、６…
…バフル、１０……固体化合物、１１……側壁、
１２……底、１４……スリーブ、１５……アルミ
ナ支持体、１９……シールリング、２０……作用
面、２０Ａ……凸面、２１，２２，２３，２４…
…壁面、２５……内面、３０……ダクト、３１…
…ベル、５０……出口孔、５１……キヤツプ、５
３……シールリング、５５……電極、５６……熱
スクリーン、５７……電極、５７Ａ……絶縁部
材、５８……出口孔、５９……支持部材、６０…
…円、６１……ワツシヤ、６２……板、６３，６
４……ワツシヤ、６４Ａ……円板、６５，６６，
６７，６８……貫通孔、８０……支持台、８１…
…スペーサ、８２……電極、８３……熱スクリー
ン、８６……接続線、８９……空房、９０……レ
ンズ、９５……位置。

Claims

【特許請求の範囲】１面イオン化により作動するイオン源であつ
て、生成されるイオンと同じ性質の中性粒子の発生
源と、前記発生源と反対側の端子に配置された出口孔
を除いて、閉鎖されているダクトを、前記発生源
とともに画定する装置と、前記出口孔と対面する位置にあり、中性粒子を
吸着してイオンに脱着するための作用面を有し、
かつ中性粒子のイオンビームの通路と反対側にあ
るバフルからなるイオン化支持体と、このようにして生成されたイオンを、選択され
た方向に放射されるビームに集束するための装置とからなり、前記イオン化支持体が、前記出口孔と同軸をな
し、かつ前記閉鎖ダクトの断面をそのまま縮小し
た断面形状を有する円筒状の通路を内部に形成す
る、肉薄の導電性部材の積層体からなり、前記肉薄導電性部材の中の１個が、前記通路を
横切つて伸延し、かつ前記出口孔と反対側に、前
記作用面を画定する中央部を有する板材からな
り、かつ前記中央部の周囲に、前記板材を貫通する周辺
孔が設けられていることによつて、中性粒子が、予め前記イオン化支持体の作用面
と衝突することなく、直接に放射ビームの中に進
入することを防止できるほぼ完全なバフルが形成
されることを特徴とするイオン源。２イオン化支持体が、ダクトの端部に取り付け
られた導電性キヤツプ内に収容され、かつ前記キ
ヤツプにより、それを貫通する出口孔を除いて、
前記ダクトが完全に閉鎖されることを特徴とする
特許請求の範囲第１項に記載のイオン源。３集束装置が、貫通孔を有し、かつ作用面と出
口孔との間に、イオンを加速して放射線ビームを
発生させるための電界を発生させることができる
外部集束電極からなることを特徴とする特許請求
の範囲第２項に記載のイオン源。４作用面と外部電極との電位差が、約10KV以
上であり、かつ、出口孔が、幅0.2〜0.3mmであつ
て、外向きにラツパ状に開口していることを特徴
とする特許請求の範囲第３項に記載のイオン源。５イオン化支持体を、1000℃乃至1500℃の範囲
の温度に加熱するための加熱装置を備えているこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のイ
オン源。６中性粒子の発生源をイオン化支持体に接続す
るダクトが、バフル効果を保持しうるような寸法
を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項
に記載のイオン源。７中性粒子の発生源が、熱分解によつて中性粒
子を供給する化合物を有することを特徴とする特
許請求の範囲第１項に記載のイオン源。８中性粒子の発生源を、別個に加熱するための
装置を備えていることを特徴とする特許請求の範
囲第１項に記載のイオン源。９イオン化支持体の作用面が、出口孔と反対側
に強いボンバードメントを受けることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項に記載のイオン源。１０中性粒子が、アルカリ原子であることを特
徴とする特許請求の範囲第１項に記載のイオン
源。１１中性粒子が、ハロゲン原子であることを特
徴とする特許請求の範囲第１項に記載のイオン
源。１２イオンが陽イオンであり、前記イオンのた
めに、作用面の材料の仕事関数が、前記イオンの
イオン化ポテンシヤルよりも大きいことを特徴と
する特許請求の範囲第１項に記載のイオン源。１３イオンが、セシウム、ルビジウム、または
カリウムのイオンであり、かつ作用面が、金属面
であることを特徴とする特許請求の範囲第１２項
に記載のイオン源。１４キヤツプの内面が、出口孔に対応する貫通
孔を中央に有する六ホウ化ランタンの薄肉円板を
備えていることを特徴とする特許請求の範囲第１
３項に記載のイオン源。１５イオンが陰イオンであり、前記イオンのた
めに、作用面の材料の仕事関数が、前記イオンの
電子親和力よりも小さいことを特徴とする特許請
求の範囲第１項に記載のイオン源。１６イオンが、ヨウ素イオンまたは塩素イオン
であり、かつ作用面の材料が、六ホウ化ランタン
のような低い仕事関数を有することを特徴とする
特許請求の範囲第１５項に記載のイオン源。１７集束電極が、その上流側に、前記集中電極
に対する電子のボンバードメントにより生成さ
れ、イオン化支持体に向つて帰還する２次粒子を
制御するための第２の電極を備えていることを特
徴とする特許請求の範囲第３項に記載のイオン
源。１８１次イオンが陽イオンであり、かつ第２電
極にバイアス電圧を印加して、２次電子ビームを
防止することを特徴とする特許請求の範囲第１７
項に記載のイオン源。１９１次イオンが陽イオンであり、かつ第２電
極にバイアス電圧を印加して、２次電子のビーム
を、キヤツプの出口孔を介してイオン化支持体の
作用面に集束することにより、イオン源を少なく
とも部分的に加熱できるようになつていることを
特徴とする特許請求の範囲第１７項に記載のイオ
ン源。２０集束電極が、タンタルからなることを特徴
とする特許請求の範囲第１８項または第１９項に
記載のイオン源。２１出口孔及び集束電極の下流位置に、光学縮
小装置を備えていることによつて、非常に小型で
かつ高輝度のイオン探針として使用することがで
きることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
載のイオン源。