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JPH0530240B2 - - Google Patents
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JPH0530240B2 - - Google Patents

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JPH0530240B2
JPH0530240B2 JP20907784A JP20907784A JPH0530240B2 JP H0530240 B2 JPH0530240 B2 JP H0530240B2 JP 20907784 A JP20907784 A JP 20907784A JP 20907784 A JP20907784 A JP 20907784A JP H0530240 B2 JPH0530240 B2 JP H0530240B2
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JP
Japan
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ion
envelope
filament
negatively charged
ion beam
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JP20907784A
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Kazutoshi Nagai
Hiroki Kuwano
Fusao Shimokawa
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NTT Inc
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

〔産業上の利用分野〕 本発明は、収束性の高速原子線を発生する装置
に関するものである。 〔従来の技術〕 従来、収束性高速原子線を発生する装置は第3
図のような構成であつた。図において、1はイオ
ンソース、2は静電レンズ、3はイオンビーム、
4は電荷交換器、5はガス導入口、6は収束性の
高速原子線であり、イオンソース1、静電レンズ
2、電荷交換器4は真空容器7内にて列状に配さ
れている。8は真空容器7用の真空ポンプであ
る。この装置の動作は以下のとおりである。ま
ず、真空容器7を真空ポンプ8で充分に排気す
る。イオンソース1で高速のイオンビーム3を発
生させ、これを静電レンズ2に導いて収束し、収
束性の高速イオンビーム3を形成する。これをさ
らに電荷交換器4に導く。電荷交換器4にはガス
導入口5より、ガスを導入する。電荷交換器4の
内部では、イオンビーム3とガス分子の衝突によ
つて次のような電荷交換反応が進行する。イオン
ビーム3を構成するイオンをM+又はM-、ガス分
子をAであらわす。 () イオンが正電荷の場合 M++A→M+A+ ……(1) A++電荷交換器の器壁→A ……(2) ガス分子AはH2,He,Ar,Hgなど電子親和
力の小さなもの。 () イオンが負電荷の場合 M-+A→M+A- ……(3) A-+電荷交換器の器壁→A ……(4) ガス分子AはF2,O2,Cl2など電子親和力の大
きなもの。 上記(1)〜(4)の反応によつてイオンは電荷を失つ
て原子線6となり、電荷交換器4から射出する。 〔発明が解決しようとする問題点〕 上記従来装置には次のような問題がある。 イオンは質量の大きなガス分子と衝突するた
めに、運動エネルギーの損失が大きく、形成し
た原子線が充分な高速になりにくい。 質量の大きなガス分子との衝突によつてイオ
ンの運動方向が大幅に乱れ、原子線の収束性が
悪くなる。 電荷交換器にガスを導入するために、真空容
器内を高真空あるいは超高真空に保つことが困
難である。 本発明はこのような従来の問題を解決するもの
である。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明は、上記従来の問題を解決するため、負
電荷イオンビームの通路中に電子をとじこめるイ
オン中和器を備え、負電荷イオンビームを電子に
衝突させてイオンの電荷をはぎ取ることによつ
て、収束性の高速原子線を効率良く発生させるも
のである。 〔実施例〕 以下、本発明の実施例を第1図、第2図に基づ
いて説明する。 図中、上記従来例と同様の部分には同一符号を
付す。すなわち、1はイオンソース、2は静電レ
ンズ、3はイオンビーム、6は原子線、7は真空
容器、8は真空ポンプである。 真空容器7内において、静電レンズ2の後段に
は、イオン中和器9と、電圧が印加されるデイフ
レクター10,11が並んで配されている。な
お、ここでは負電荷イオンビームを中性化し、原
子線を得る装置をイオン中和器と呼ぶ。イオン中
和器9の構成を第1図に表わす。図中12は金属
性の円筒状外囲器、13は外囲器12内に配され
た熱電子発生用フイラメント、14は直流電源、
15はフイラメント点火用電源、16は金属性の
円筒形網電極、17は熱電子加速用直流電源であ
る。円筒形網電極16と外囲器12はそれぞれの
中心軸がほぼ一致するように配置されている。フ
イラメント13は電源15によつて点火され、熱
電子を放出する。網電極16は、直流電源17に
よつてフイラメント13に対して70〜200Vの正
電位に保たれており、フイラメント13で発生し
た熱電子はこの電位に引かれて網電極16の方向
に加速される。網電極16に到達した熱電子は、
一部は網電極16に衝突してこれに吸収され、残
りは網電極16の目をくぐつてその内部に侵入
し、さらにその網電極16をつきぬける。外囲器
12は直流電源14によつてフイラメント13に
対して数の負電位に保たれており、このため網
電極16をつきぬけた熱電子は外囲器12の内壁
面の付辺で停止し、折返えして網電極16に向つ
て加速され始める。このようにして、網電極16
の内部には、運動エネルギーが70〜200eVで往復
運動をしている電子が充満し、電子雲を形成して
いる。 次に動作について説明する。 まず、真空容器7を真空ポンプ8で充分に排気
する。そして、イオンソース1で高速の負電荷イ
オンビームを発生させ、これを静電レンズ2に導
いて、収束した高速イオンビーム3とする。これ
をイオン中和器9に導く。中和器9内における網
電極16内には、前述したように熱電子が電子雲
として充満しており、ここに収束した高速の負電
荷イオンビーム3が入射する。この入射したイオ
ンは、70〜200eVの電子と衝突して負電荷をはぎ
取られ、原子線6となる。これは、負電荷イオン
の最外殻電子が、電子あるいは負電荷イオンが反
撥し合つてはじき飛ばされるために中性化され
る。その際、電子の質量がイオンに比べて極めて
小さいために、電子との衝突によつてイオンの運
動エネルギーが失われることがなく、またイオン
の運動方向が乱れることもない。したがつて、原
子線6の運動エネルギーおよび収束性について
は、イオン中和器9に入る前のイオンビーム3の
運動エネルギー、および収束性が保存される。な
お、網電極16に対して外囲器12は負の電位に
保たれているため、網電極16の内部の電子雲
は、イオン中和器9の入口、出口の方向に流れ出
すことがなく、常に網電極16の内部にとじこめ
られており、中和の効率を高めている。そして原
子線6はデイフレクター10,11間を通過す
る。デイフレクター10,11の間には電圧が印
加されており、それらの間を通過する高速の原子
線6に残存するイオンがあればそれを除去し、純
粋な高速原子線とする。 ところで、電子の加速用直流電圧として70〜
200Vを用いる理由は、イオンに付着した電子を
はぎ取るのにこの程度の値が適していることが実
験的にたしかめられていることによる。この値よ
り低い場合には電子離脱確率が低下し、これより
高い場合には形成した原子の外殻電子まではぎ取
られて正イオンになつてしまうなど、共に負イオ
ンから原子への転換効率がわるくなる。 下表1に従来法の電荷交換法と本発明による場
合の高速原子線の収束の度合を実験的に比較して
表わす。
[Industrial Application Field] The present invention relates to a device that generates a convergent high-speed atomic beam. [Prior art] Conventionally, devices that generate convergent high-speed atomic beams are
The configuration was as shown in the figure. In the figure, 1 is an ion source, 2 is an electrostatic lens, 3 is an ion beam,
4 is a charge exchanger, 5 is a gas inlet, and 6 is a convergent high-speed atomic beam. The ion source 1, the electrostatic lens 2, and the charge exchanger 4 are arranged in a row in the vacuum container 7. . 8 is a vacuum pump for the vacuum container 7. The operation of this device is as follows. First, the vacuum container 7 is sufficiently evacuated using the vacuum pump 8. An ion source 1 generates a high-speed ion beam 3, which is guided to an electrostatic lens 2 and converged to form a convergent high-speed ion beam 3. This is further guided to a charge exchanger 4. Gas is introduced into the charge exchanger 4 through a gas inlet 5. Inside the charge exchanger 4, the following charge exchange reaction proceeds due to collision between the ion beam 3 and gas molecules. Ions constituting the ion beam 3 are represented by M + or M - , and gas molecules are represented by A. () When the ion is positively charged, M + +A → M+A + ...(1) A + + wall of charge exchanger → A ...(2) Gas molecule A has electron affinity such as H 2 , He, Ar, Hg, etc. A small one. () When the ion is negatively charged M - + A → M + A - ... (3) A - + wall of charge exchanger → A ... (4) Gas molecule A has electron affinity such as F 2 , O 2 , Cl 2 The big one. Through the reactions (1) to (4) above, the ions lose their charge and become atomic beams 6, which are ejected from the charge exchanger 4. [Problems to be Solved by the Invention] The above conventional device has the following problems. Because ions collide with gas molecules with large mass, there is a large loss of kinetic energy, making it difficult for the atomic beams formed to reach sufficient speed. Collisions with gas molecules of large mass greatly disturb the direction of ion motion, resulting in poor convergence of atomic beams. In order to introduce gas into the charge exchanger, it is difficult to maintain a high vacuum or an ultra-high vacuum inside the vacuum container. The present invention solves these conventional problems. [Means for Solving the Problems] In order to solve the above conventional problems, the present invention includes an ion neutralizer that traps electrons in the path of a negatively charged ion beam, and collides the negatively charged ion beam with the electrons. By removing the charge from ions, a convergent high-speed atomic beam is efficiently generated. [Example] Hereinafter, an example of the present invention will be described based on FIGS. 1 and 2. In the figure, parts similar to those of the above-mentioned conventional example are given the same reference numerals. That is, 1 is an ion source, 2 is an electrostatic lens, 3 is an ion beam, 6 is an atomic beam, 7 is a vacuum container, and 8 is a vacuum pump. In the vacuum container 7, an ion neutralizer 9 and deflectors 10 and 11 to which a voltage is applied are arranged side by side after the electrostatic lens 2. Note that here, a device that neutralizes a negatively charged ion beam and obtains an atomic beam is called an ion neutralizer. The configuration of the ion neutralizer 9 is shown in FIG. In the figure, 12 is a metal cylindrical envelope, 13 is a filament for generating thermionic electrons arranged inside the envelope 12, 14 is a DC power supply,
15 is a power source for filament ignition, 16 is a metallic cylindrical mesh electrode, and 17 is a DC power source for accelerating thermionic electrons. The cylindrical mesh electrode 16 and the envelope 12 are arranged so that their respective central axes substantially coincide. The filament 13 is ignited by the power source 15 and emits thermoelectrons. The mesh electrode 16 is maintained at a positive potential of 70 to 200 V with respect to the filament 13 by a DC power supply 17, and the thermoelectrons generated in the filament 13 are attracted to this potential and accelerated in the direction of the mesh electrode 16. Ru. The thermoelectrons that reached the mesh electrode 16 are
A part of it collides with the mesh electrode 16 and is absorbed therein, and the rest passes through the mesh electrode 16, enters its interior, and then passes through the mesh electrode 16. The envelope 12 is kept at a certain negative potential with respect to the filament 13 by the DC power supply 14, and therefore the thermoelectrons that have passed through the mesh electrode 16 are stopped at the edge of the inner wall surface of the envelope 12. , and begin to be accelerated toward the mesh electrode 16. In this way, the mesh electrode 16
The inside of is filled with electrons that are moving back and forth with a kinetic energy of 70 to 200 eV, forming an electron cloud. Next, the operation will be explained. First, the vacuum container 7 is sufficiently evacuated using the vacuum pump 8. Then, an ion source 1 generates a high-speed negatively charged ion beam, which is guided to an electrostatic lens 2 to become a focused high-speed ion beam 3. This is led to an ion neutralizer 9. As described above, the net electrode 16 in the neutralizer 9 is filled with thermoelectrons as an electron cloud, and the focused high-speed negatively charged ion beam 3 is incident thereon. This incident ion collides with electrons of 70 to 200 eV, strips off its negative charge, and becomes an atomic beam 6. This is because the outermost electrons of the negatively charged ions are repelled by the electrons or negatively charged ions and are repelled, resulting in neutralization. At this time, since the mass of the electron is extremely small compared to the ion, the kinetic energy of the ion is not lost due to collision with the electron, and the direction of the ion's motion is not disturbed. Therefore, regarding the kinetic energy and convergence of the atomic beam 6, the kinetic energy and convergence of the ion beam 3 before entering the ion neutralizer 9 are preserved. Note that since the envelope 12 is kept at a negative potential with respect to the mesh electrode 16, the electron cloud inside the mesh electrode 16 does not flow out in the direction of the entrance and exit of the ion neutralizer 9. It is always confined inside the mesh electrode 16, increasing the efficiency of neutralization. The atomic beam 6 then passes between deflectors 10 and 11. A voltage is applied between the deflectors 10 and 11, and if any ions remain in the high-speed atomic beam 6 passing between them, they are removed and a pure high-speed atomic beam is formed. By the way, the DC voltage for accelerating electrons is 70~
The reason for using 200V is that it has been experimentally confirmed that this value is suitable for stripping off electrons attached to ions. If it is lower than this value, the electron detachment probability will decrease, and if it is higher than this, the outer shell electrons of the formed atom will be stripped off and become positive ions, both of which will reduce the efficiency of conversion from negative ions to atoms. become bad. Table 1 below shows an experimental comparison of the degree of convergence of high-speed atomic beams between the conventional charge exchange method and the present invention.

【表】【table】

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上説明したように、本発明による収束性高速
原子線源は、高いエネルギーを有する電子によつ
て負電荷イオンに付着した電荷をはぎ取つて原子
線を発生させる構成であるから、収束性の良い高
速原子線源を得ることができるとともに、これを
超高真空中で動作させうるという利点がある。
As explained above, the convergent fast atomic beam source according to the present invention is configured to generate an atomic beam by stripping off the charge attached to negatively charged ions with high-energy electrons, so it has good convergence. This method has the advantage that a high-speed atomic beam source can be obtained and that it can be operated in an ultra-high vacuum.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図、第2図は本発明の一実施例を表わし、
第1図は要部の概略構成図、第2図は全体の概略
構成図、第3図は従来例の全体の概略構成図であ
る。 3……イオンビーム、6……収束性高速原子
線、9……イオン中和器、12……外囲器、13
……熱電子発生用フイラメント、16……円筒形
網電極。
1 and 2 show an embodiment of the present invention,
FIG. 1 is a schematic block diagram of the main parts, FIG. 2 is a schematic block diagram of the entire structure, and FIG. 3 is a schematic block diagram of the entire conventional example. 3... Ion beam, 6... Convergent high-speed atomic beam, 9... Ion neutralizer, 12... Envelope, 13
... Filament for generating thermionic electrons, 16 ... Cylindrical mesh electrode.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 発生させた負電荷イオンビームをイオン中和
器内に通して、収束性の高速原子線をつくる収束
性高速原子線源であつて、前記イオン中和器は、
中心部を負電荷イオンビームが通る円筒状外囲器
と、この外囲器の内側に備えられて熱電子を放出
する熱電子発生用フイラメントと、外囲器の内側
に同心円状に備えられ、前記フイラメントに対し
ては正電位にかつ前記外囲器に対しては負電荷に
保たれて前記フイラメントから放出された熱電子
を内部にとじこめる円筒形網電極とを有して成
り、前記網電極の内部の電子によつて負電荷イオ
ンビームの電荷をはぎ取るようにしたことを特徴
とする収束性高速原子線源。
1. A convergent high-speed atomic beam source that passes a generated negatively charged ion beam through an ion neutralizer to create a convergent high-speed atomic beam, the ion neutralizer comprising:
a cylindrical envelope through which a negatively charged ion beam passes through the center; a thermionic generation filament provided inside the envelope to emit thermoelectrons; and a filament provided concentrically inside the envelope. a cylindrical mesh electrode that is held at a positive potential with respect to the filament and a negative charge with respect to the envelope to trap thermoelectrons emitted from the filament; A convergent high-speed atomic beam source characterized in that the charge of a negatively charged ion beam is stripped off by electrons inside the ion beam.
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JP3305553B2 (en) * 1995-11-17 2002-07-22 株式会社荏原製作所 Fast atom beam source

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