(57)【要約】【課題】  同軸構造の熱陰極を備えているイオン源において、イオンビーム生成効率の向上および熱陰極の長寿命化を可能にする。【解決手段】  このイオン源２は、中空の外部導体１２と、その内側に同軸状に配置された中空の内部導体１４と、両導体１２、１４の先端部を電気的に接続する環状の接続導体１６とを有する熱陰極１０を備えている。熱陰極１０は、細長いイオン引出し口６の長手方向に沿うようにプラズマ生成容器４内に挿入されている。このイオン源２は更に、熱陰極１０の内部導体１４内に原料ガス８を供給してそれを内部導体１４の先端からプラズマ生成容器４内へ放出させるガス供給機構を備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＸＹ平面内で互いに直交する２方向をＸ方向およびＹ方向とすると、Ｘ方向の寸法よりもＹ方向の寸法が大きいイオン引出し口を有しており、かつ陽極を兼ねているプラズマ生成容器と、加熱電流が流されて前記プラズマ生成容器内に熱電子を放出する熱陰極とを備えているイオン源であって、
（ａ）前記熱陰極は、中空の外部導体と、この外部導体の内側に同軸状に配置されている中空の内部導体と、この内部導体の先端部と前記外部導体の先端部との間に設けられていて両先端部間を電気的に接続する環状の接続導体とを有していて、前記加熱電流は、前記接続導体を通して折り返されて、前記外部導体と前記内部導体とで互いに逆向きに流されるよう構成されており、
（ｂ）前記熱陰極の先端部を含む部分は、前記プラズマ生成容器内に挿入されており、しかもプラズマ生成容器内に位置する部分の熱陰極の中心軸および前記イオン引出し口のＹ方向に沿う中心軸のＸＹ平面上への正射影が互いに実質的に一直線上に並ぶように挿入されており、
（ｃ）更に、前記プラズマ生成容器外の部分から前記熱陰極の内部導体内に原料ガスを供給して、当該原料ガスを前記内部導体内を通して前記内部導体の先端から前記プラズマ生成容器内へ放出させるガス供給手段を備えている、ことを特徴とするイオン源。
【請求項２】
前記熱陰極は、前記接続導体を有する代わりに、前記外部導体の先端部と前記内部導体の先端部とを電気的に直接接続していて、その接続部で前記加熱電流が折り返されるよう構成されている請求項１記載のイオン源。
【請求項３】
前記熱陰極の内部導体は、前記外部導体よりも融点の高い材料で形成されている請求項１または２記載のイオン源。
【請求項４】
前記プラズマ生成容器内であって、Ｙ方向において前記イオン引出し口を間にして前記熱陰極の先端に対向する位置に、電子を反射させる反射電極を備えている請求項１、２または３記載のイオン源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、筒状（中空）の外部導体内に内部導体を配置した同軸構造の熱陰極を備えているイオン源に関する。  
【背景技術】
【０００２】
筒状の外部導体と、その内側に同軸状に配置されている中実（中が詰まっていて中空でないこと）構造の内部導体と、両導体の先端部間を埋めて当該先端部間を電気的に接続する接続導体とを備えている同軸構造の熱陰極を、細長いイオン引出し口を有するプラズマ生成容器内に挿入した構造のイオン源が、例えば特許文献１に記載されている。上記熱陰極に対する加熱電流は、接続導体を通して折り返されて、外部導体と内部導体とで互いに逆向きに流される。
【０００３】
この特許文献１に記載の熱陰極によれば、（ａ）外部導体と内部導体とが同軸状であり、かつ両導体で加熱電流が互いに逆向きに流されるので、両導体に流れる加熱電流が発生させる磁界が相殺し合い、当該熱陰極全体として見れば、加熱電流を流すことによって発生する磁界を小さく抑えることができるので、熱電子を放出しやすくなる、（ｂ）熱陰極の先端部等の体積を、線材（棒材とも言える）によって形成されている公知のフィラメントに比べて大きくすることができるので、陰極寿命を長くすることができる、等の効果を奏するとされている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した従来のイオン源においては、プラズマ生成容器内への原料ガスの供給は、プラズマ生成容器の壁面であって、熱陰極の先端部を見込む位置から行っている。具体的には、プラズマ生成容器内へ原料ガスを供給するためのガス供給口を、プラズマ生成容器の、イオン引出し口に対向する底面、または当該底面に直交する側面に設けている。
【０００５】
そのようなイオン源においては、ガス供給口から供給された原料ガスは、プラズマ生成容器内で均一に分布するのではなく、ガス供給口と、排気口を兼ねるイオン引出し口との位置関係によって決まる分布を持つ。簡単に言えば、イオン引出し口付近よりもガス供給口付近の方が濃いというガス分布を持つ。なお、プラズマ生成容器内は一般的にイオン引出し口を通して真空排気されるので、イオン引出し口は上記のように排気口を兼ねている。
【０００６】
その結果、プラズマ生成容器内においてアーク放電によって生成されるプラズマが、原料ガスの上記分布の影響を受けて、プラズマの軸（プラズマ密度の高い部分を結ぶ軸）がイオン引出し口からずれてしまい、イオンビーム生成効率が低下するという課題がある。なお、この課題に相当する事項は、図６、図７に示す比較例においても説明している。
【０００７】
また、一般的にイオン源における熱陰極の消耗量は、熱陰極部分のガス圧に概ね反比例することが知られている。これは簡単に言えば、所定のアーク電流を実現する場合、ガス圧が低いと熱陰極から放出された熱電子がガス分子に衝突して電子（二次電子）を発生させる割合が小さいので、それを補うために例えば熱陰極の加熱温度を高めて熱陰極から放出させる熱電子そのものの量を多くする等の必要があり、そのために熱陰極の消耗量が大きくなるからである。ところが上述した従来のイオン源においては、ガス圧が最も高い位置はプラズマ生成容器の壁面に設けられたガス供給口付近であって、熱陰極付近ではないので、このようなガス圧分布では上記理由から熱陰極の消耗量が大きくなり、ひいては熱陰極の寿命が短くなる。
【０００８】
そこでこの発明は、同軸構造の熱陰極を備えているイオン源において、イオンビーム生成効率の向上および熱陰極の長寿命化を可能にすることを主たる目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係るイオン源は、ＸＹ平面内で互いに直交する２方向をＸ方向およびＹ方向とすると、Ｘ方向の寸法よりもＹ方向の寸法が大きいイオン引出し口を有しており、かつ陽極を兼ねているプラズマ生成容器と、加熱電流が流されて前記プラズマ生成容器内に熱電子を放出する熱陰極とを備えているイオン源であって、（ａ）前記熱陰極は、中空の外部導体と、この外部導体の内側に同軸状に配置されている中空の内部導体と、この内部導体の先端部と前記外部導体の先端部との間に設けられていて両先端部間を電気的に接続する環状の接続導体とを有していて、前記加熱電流は、前記接続導体を通して折り返されて、前記外部導体と前記内部導体とで互いに逆向きに流されるよう構成されており、（ｂ）前記熱陰極の先端部を含む部分は、前記プラズマ生成容器内に挿入されており、しかもプラズマ生成容器内に位置する部分の熱陰極の中心軸および前記イオン引出し口のＹ方向に沿う中心軸のＸＹ平面上への正射影が互いに実質的に一直線上に並ぶように挿入されており、（ｃ）更に、前記プラズマ生成容器外の部分から前記熱陰極の内部導体内に原料ガスを供給して、当該原料ガスを前記内部導体内を通して前記内部導体の先端から前記プラズマ生成容器内へ放出させるガス供給手段を備えている、ことを特徴としている。
【００１０】
このイオン源においては、熱陰極の先端が原料ガス供給口を兼ねており、しかもプラズマ生成容器内に位置する部分の熱陰極とイオン引出し口の上記のような位置関係から、原料ガスはプラズマ生成容器内に、イオン引出し口の背後であってしかもイオン引出し口の長手方向であるＹ方向に沿って放出されるようになる。従って、イオン引出し口の背後に、しかもイオン引出し口に沿って伸びている状態で、ガス圧の比較的高い領域が形成される。
【００１１】
その結果、プラズマ生成容器内には、プラズマ密度の高い領域がイオン引出し口の背後にありかつイオン引出し口に沿って伸びているという密度分布のプラズマが生成される。このようにプラズマ密度の高い領域の位置がイオン引出し口にうまく対応しているプラズマからイオン引出し口を通してイオンビームを引き出すことができるので、イオンビーム生成効率が向上する。
【００１２】
また、熱陰極の先端からプラズマ生成容器内へ原料ガスを放出させることによって、プラズマ生成容器内でガス圧の最も高い位置が熱陰極の先端部付近になるので、熱陰極の先端部付近から放出される熱電子とガス分子との衝突回数が増加してアーク放電を維持しやすくなる。その結果、熱陰極の加熱温度やアーク放電電圧を低くすることが可能になり、それによって熱陰極の消耗量を小さく抑えて熱陰極の寿命を長くすること等が可能になる。
【００１３】
前記熱陰極は、前記接続導体を有する代わりに、前記外部導体の先端部と前記内部導体の先端部とを電気的に直接接続していて、その接続部で前記加熱電流が折り返されるよう構成されていても良い。
【００１４】
前記熱陰極の内部導体は、前記外部導体よりも融点の高い材料で形成されていても良い。
【００１５】
前記プラズマ生成容器内であって、Ｙ方向において前記イオン引出し口を間にして前記熱陰極の先端に対向する位置に、電子を反射させる反射電極を備えていても良い。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に記載の発明によれば、熱陰極の先端が原料ガス供給口を兼ねており、しかもプラズマ生成容器内に位置する部分の熱陰極とイオン引出し口が上記のような位置関係にあるので、プラズマ生成容器内には、プラズマ密度の高い領域がイオン引出し口の背後にありかつイオン引出し口に沿って伸びているという密度分布のプラズマが生成される。このようにプラズマ密度の高い領域の位置がイオン引出し口にうまく対応しているプラズマからイオン引出し口を通してイオンビームを引き出すことができるので、イオンビーム生成効率が向上する。
【００１７】
また、熱陰極の先端からプラズマ生成容器内へ原料ガスを放出させることによって、プラズマ生成容器内でガス圧の最も高い位置が熱陰極の先端部付近になるので、熱陰極の先端部付近から放出される熱電子とガス分子との衝突回数が増加してアーク放電を維持しやすくなる。その結果、熱陰極の加熱温度やアーク放電電圧を低くすることが可能になり、それによって熱陰極の消耗量を小さく抑えて熱陰極の寿命を長くすること等が可能になる。
【００１８】
更に、熱陰極の内部導体が中空であるので、中実の場合に比べて、内部導体の質量や断面積が大きくなるのを抑えつつ、内部導体の太さを大きくすることができる。その結果、内部導体の単位表面積当たりの熱の集中を抑制して、内部導体の温度上昇を抑制することができる。従って、内部導体の寿命ひいては熱陰極の寿命を長くすることができる。
【００１９】
請求項２に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、熱陰極の外部導体の先端部と内部導体の先端部とを、接続導体を用いずに電気的に直接接続しているので、接続導体を用いる場合に比べて、熱陰極の先端部の体積を小さくすることができる。その結果、熱陰極の熱容量を小さくし、温度制御時の時定数を小さくして、温度制御の応答性をより良くすることができる。
【００２０】
請求項３に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、熱陰極の内部導体は外部導体よりも温度が高くなるけれども、内部導体は外部導体よりも融点の高い材料で形成されているので、内部導体の耐熱性が高く、従って内部導体の寿命ひいては熱陰極の寿命をより長くすることができる。また、熱陰極の運転範囲をより広くすることもできる。
【００２１】
請求項４に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、Ｙ方向においてイオン引出し口を間にして熱陰極の先端に対向する位置に、電子を反射させる反射電極を備えているので、電子とガス分子との衝突確率を高めて、プラズマ生成効率ひいてはイオンビーム生成効率をより向上させることができる。更に、イオン引出し口の長手方向に沿う方向におけるプラズマ密度分布の均一性ひいてはビーム電流密度分布の均一性が向上する。その結果例えば、長手方向寸法のより大きいイオン引出し口およびイオンビームの引き出しにも対応することが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】この発明に係るイオン源の一実施形態を示す断面図である。
【図２】図１の線Ａ−Ａに沿う断面図である。
【図３】図１および図２に示す熱陰極周りのより具体例を示す拡大断面図である。
【図４】図１および図２に示すイオン源におけるプラズマ密度分布のシミュレーション結果の一例を示す概略図であり、図１と同じ断面におけるものである。
【図５】図１および図２に示すイオン源におけるプラズマ密度分布のシミュレーション結果の一例を示す概略図であり、図２と同じ断面におけるものである。
【図６】プラズマ生成容器の壁面にガス供給口を有する比較例のイオン源におけるプラズマ密度分布のシミュレーション結果の一例を示す概略図であり、図４と同じ断面におけるものである。
【図７】プラズマ生成容器の壁面にガス供給口を有する比較例のイオン源におけるプラズマ密度分布のシミュレーション結果の一例を示す概略図であり、図５と同じ断面におけるものである。
【図８】この発明に係るイオン源を構成する熱陰極の他の例を部分的に示す断面図である。
【図９】この発明に係るイオン源を構成する熱陰極の更に他の例を部分的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１は、この発明に係るイオン源の一実施形態を示す断面図である。図２は、図１の線Ａ−Ａに沿う断面図である。図３は、図１および図２に示す熱陰極周りのより具体例を示す拡大断面図である。このイオン源２は、バーナス型イオン源の範疇に属する。
【００２４】
このイオン源２は、熱陰極１０から陽極を兼ねるプラズマ生成容器４内へ熱電子を放出させ、熱陰極１０とプラズマ生成容器４との間でアーク放電を生じさせて、プラズマ生成容器４内へ導入された原料ガス（蒸気の場合を含む）８を電離させてプラズマ２０を生成し、このプラズマ２０からイオン引出し口６を通して引出し電極系３０によってイオンビーム３２を引き出すよう構成されている。
【００２５】
ＸＹ平面内で互いに直交する２方向をＸ方向およびＹ方向とすると、イオン引出し口６は、Ｘ方向の寸法ＷX よりもＹ方向の寸法ＷY が大きい形状をしている。例えば、イオン引出し口６は、Ｙ方向に長いスリット状をしている。
【００２６】
引出し電極系３０は、この実施例では１枚の電極の場合を例示しているが、それに限られるものではなく、複数枚の電極で構成されていても良い。
【００２７】
熱陰極１０は、中空の外部導体１２と、この外部導体１２の内側に同軸状に配置されている中空の内部導体１４と、外部導体１２の先端部と内部導体１４の先端部との間に設けられていて両先端部間を電気的に接続する環状の接続導体１６とを有している。従ってこの熱陰極１０は、前述した従来の熱陰極と違って、その内部（より具体的には内部導体１４の内部）に後述するように原料ガス８を通すことができる。外部導体１２および内部導体１４は、共に筒状（但し以下に述べるように、横断面が円形に限られるものではない）をしていると言うこともできる。
【００２８】
熱陰極１０の外部導体１２と内部導体１４との間には加熱電源３４が接続されており、この加熱電源３４から供給される加熱電流ＩH は、先端部の接続導体１６を通して折り返されて、外部導体１２と内部導体１４とで互いに逆向きに流される。この加熱電流ＩH によって、熱陰極１０は、より具体的にはそれを構成する外部導体１２、内部導体１４および接続導体１６は発熱してプラズマ生成容器４内に熱電子を放出する。
【００２９】
外部導体１２および内部導体１４は、この実施形態では図３に示すように、プラズマ生成容器４外に設けられた電流導入端子６２および６４にそれぞれ支持されており、両電流導入端子６２、６４を通して加熱電源３４から上記加熱電流ＩH が供給される。
【００３０】
上記加熱電源３４は、この実施形態では直流電源の場合の例を示しているが、それに限られるものではなく、交流電源でも良い。
【００３１】
外部導体１２および内部導体１４は、この実施形態では、横断面が共に円形をしているが、それに限られるものではなく、横断面が共に楕円形や多角形等をしていても良い。
【００３２】
接続導体１６は、この実施形態では円環状をしているが、それに限られるものではなく、要は外部導体１２および内部導体１４の横断面形状に合わせれば良い。
【００３３】
接続導体１６は、この実施形態では、外部導体１２の先端部と内部導体１４の先端部との間に嵌合して結合している。この接続導体１６と外部導体１２および内部導体１４との結合は、例えば、嵌合による結合のみでも良いし、嵌合と溶接を併用しても良い。溶接を併用すると、結合の信頼性が向上する。
【００３４】
外部導体１２、内部導体１４および接続導体１６は、それぞれ、例えば、モリブデン（融点２８９６Ｋ）、タンタル（融点３２９０Ｋ）、タングステン（融点３６９５Ｋ）、レニウム（融点３４５９Ｋ）、イリジウム（融点２７３９Ｋ）のような高融点金属またはこれらの金属の内の二つ以上を含む合金等の高融点材料で形成するのが好ましい。
【００３５】
熱陰極１０の先端部を含む部分は、プラズマ生成容器４内に挿入されている。しかも、熱陰極１０の上記先端部を含む部分は、図２を参照して、プラズマ生成容器４内に位置する部分の熱陰極１０の中心軸１１およびイオン引出し口６のＹ方向に沿う中心軸７のＸＹ平面上への正射影が互いに実質的に一直線上に並ぶように挿入されている。即ち、上記熱陰極１０の中心軸１１と上記イオン引出し口６の中心軸７とは互いに実質的に平行であり、かつ両中心軸１１、７の延長線のＸＹ平面上への正射影は互いに実質的に重なる。この明細書で「実質的に」というのは、イオン源２の後述する作用効果を奏することができる程度の多少のずれは許容する意味である。
【００３６】
熱陰極１０がプラズマ生成容器４を貫通する部分は、この実施形態では電気絶縁物４４によって絶縁されている。但し、電気絶縁物４４を用いずに、空間絶縁（例えば１ｍｍ程度またはそれ以下の隙間による絶縁）によって、熱陰極１０とプラズマ生成容器４との間を電気的に絶縁しても良い。
【００３７】
熱陰極１０（より具体的にはこの実施形態ではその内部導体１４）とプラズマ生成容器４との間には、両者間に直流電圧を印加して、上記アーク放電を生じさせてアーク電流を流す直流のアーク電源３６が、プラズマ生成容器４を正極側にして接続されている。熱陰極１０の先端部付近の温度が他よりも高くなって、上記アーク放電は主に当該先端部付近とプラズマ生成容器４との間で生じるので、熱陰極１０の先端部付近の消耗量が大きくなる。
【００３８】
このイオン源２は、プラズマ生成容器４に従来のイオン源のようにガス供給口を設ける代わりに、プラズマ生成容器４外の部分から熱陰極１０の内部導体１４内に原料ガス８を供給して、当該原料ガス８を内部導体１４内を通して当該内部導体１４の先端からプラズマ生成容器４内へ放出させるガス供給手段を備えている。
【００３９】
より具体的には、この実施形態では図３に示すように、上記ガス供給手段の一例として、熱陰極１０の内部導体１４の他端部（即ちプラズマ生成容器４外側の端部）内に挿入されたガスノズル６６と、このガスノズル６６に接続されていてそれに原料ガス８を供給するガスパイプ６８とを備えている。
【００４０】
もっとも、上記ガス供給手段は、図３に示す実施形態以外のものでも良い。例えば、ガスノズル６６を内部導体１４の他端部に近接または接触させた構造でも良いし、ガスノズル６６を設けずに、ガスパイプ６８を内部導体１４の他端部に接続、挿入、近接または接触させた構造等でも良い。
【００４１】
上記ガスノズル６６も、内部導体１４と同様に高温になるので、内部導体１４等について上述したような高融点金属または高融点材料で形成するのが好ましい。
【００４２】
イオン源２は、この実施形態では更に、プラズマ生成容器４内であって、熱陰極１０と反対側の部分に第１の反射電極４０を有しており、熱陰極１０の根本部分に第２の反射電極４２を有している。４５、４６は電気絶縁物である。更にプラズマ生成容器４内には、その外部に設けた磁石５０によって、熱陰極１０と反射電極４０とを結ぶ線に沿う方向の磁界５２が印加される。但し磁界５２の向きは図示とは逆でも良い。
【００４３】
磁界５２は、プラズマ２０中の電子やイオンが当該磁界５２と交差する方向に拡散するのを抑制して、密度の高いプラズマ２０を生成することに、換言すればプラズマ２０の生成効率を高めることに寄与する。両反射電極４０、４２も、熱陰極１０から放出された電子（熱電子）やプラズマ２０中の電子を反射させて、当該電子とガス分子との衝突確率を高めて、密度の高いプラズマ２０を生成することに、換言すればプラズマ２０の生成効率を高めることに寄与する。
【００４４】
このイオン源２においては、熱陰極１０の先端が原料ガス８の供給口を兼ねている。即ち、原料ガス８は、熱陰極１０の根本から先端に向けて供給されて、熱陰極１０の先端（より具体的には内部導体１４の先端）からプラズマ生成容器４内に放出される。内部導体１４は通常はその全長に対して比較的小さな直径のものであるので、その先端から放出される際の原料ガス８は、熱陰極１０の中心軸１１に沿って直進するものが多くなる。しかも、プラズマ生成容器４内に位置する部分の熱陰極１０とイオン引出し口６の上記のような位置関係から、原料ガス８はプラズマ生成容器４内に、イオン引出し口６の背後であってしかもイオン引出し口６の長手方向であるＹ方向に沿って放出されるようになる。従って、イオン引出し口６のちょうど背後に、しかもイオン引出し口６に沿って伸びている状態で、ガス圧の比較的高い領域が形成される。原料ガス８の供給流量を変化させると、プラズマ生成容器４内のガス圧は変化するけれども、プラズマ生成容器４内の上記ガス分布に大きな変化はない。
【００４５】
上記ガス圧の比較的高い領域は、熱陰極１０の先端部付近の電子放出部に近接しているため、熱陰極１０から放出された熱電子がガス分子と容易に衝突して電離反応を持続させやすくなる。その結果、プラズマ生成容器４内には、プラズマ密度の高い領域がイオン引出し口６のちょうど背後にありかつイオン引出し口６に沿って比較的真っ直ぐ伸びているという密度分布のプラズマ２０が生成される。このようにプラズマ密度の高い領域の位置がイオン引出し口６にうまく対応しているプラズマ２０からイオン引出し口６を通してイオンビーム３２を引き出すことができるので、イオンビーム生成効率が向上する。
【００４６】
上述したプラズマ密度分布を、シミュレーション結果を用いて更に説明する。
【００４７】
図４、図５に、このイオン源のプラズマ生成容器４内における上記プラズマ２０の密度分布を、幾つかの等密度線２２で代表させて示している。図５に示すように、プラズマ２０の軸２４（プラズマ密度の高い部分を結ぶ軸）はイオン引出し口６のＹ方向に沿う上記中心軸７と実質的に平行であり、かつ両軸２４、７のＸＹ平面上への正射影は互いに実質的に重なっており、プラズマ密度の高い領域が、イオン引出し口６のちょうど背後にかつイオン引出し口６の長手方向に沿って比較的真っ直ぐに伸びて形成されていることが分かる。更に図４に示すように、イオン引出し口６の近くに、上記プラズマ密度の高い領域が形成されていることが分かる。
【００４８】
このように、このイオン源２では、プラズマ密度の高い領域の位置がイオン引出し口６にうまく対応しているプラズマ２０からイオン引出し口６を通してイオンビーム３２を引き出すことができるので、イオンビーム生成効率が向上する。
【００４９】
換言すれば、同じアーク電流（即ちアーク放電時のアーク電源３６の出力電流）であっても、プラズマ２０がプラズマ生成容器４内の広い領域に薄く広がったり、プラズマ密度の高い領域がイオン引出し口６からずれて存在するよりも、図４、図５に示す例のようにイオン引出し口６の近傍にイオン引出し口６に沿って局所化している方が、プラズマ２０から効率良くイオンビーム３２を引き出すことができる。
【００５０】
その結果、例えば、イオンビーム３２のビーム電流を増大させることが容易になる。あるいは、イオンビーム３２のビーム電流を増大させる代わりに、熱陰極１０の加熱温度を低下させて、熱陰極１０の消耗量を小さく抑えて熱陰極１０の寿命を長くすることもできる。
【００５１】
比較のために、プラズマ生成容器４の壁面にガス供給口２８を設けて、そこからプラズマ生成容器４内に原料ガス８を導入する構造のイオン源２ａにおけるプラズマ密度分布をシミュレーションした結果を図６、図７に示す。両図は、上記図４、図５にそれぞれ対応している。
【００５２】
この比較例のイオン源２ａでは、熱陰極１０は原料ガス８の導入に用いないので、その内部導体１４の先端部内に蓋１９を設けている。原料ガス８の導入手段以外は、上記実施形態のイオン源２とほぼ同じ構造をしている。
【００５３】
図６、図７に、上記イオン源２ａのプラズマ生成容器４内におけるプラズマ２０の密度分布を、幾つかの等密度線２２で代表させて示している。図７に示すように、プラズマ２０の軸２４がイオン引出し口６の中心軸７からずれている。これは、このイオン源２ａにおいては、ガス供給口２８からの原料ガス８の供給方向とイオン引出し口６とがねじれの位置関係にあり、またガス供給口２８とそれに対向するプラズマ生成容器４の壁面との間の距離が比較的近いため、ガス供給口２８から供給された原料ガス８は対向壁面で反射し、その付近で乱流となって等価的にガス圧が高くなり、即ちガス供給口２８の反対側付近にガス圧の高い領域が形成され、プラズマ２０もその領域で高密度になるからであると考えられる。
【００５４】
イオンビーム３２は、上記プラズマ２０からイオン引出し口６を通して引き出されるので、上記のようなずれが生じると、プラズマ密度の高い領域のイオンをうまく引き出すことが難しくなるので、イオンビーム生成効率が低下する。これは従来のイオン源の課題として前述している。
【００５５】
この実施形態のイオン源２の説明に戻ると、当該イオン源２においては、熱陰極１０の先端からプラズマ生成容器４内へ原料ガス８を放出させることによって、プラズマ生成容器４内でガス圧の最も高い領域が熱陰極１０の先端部付近になる。そのため、熱陰極１０の先端とは異なる位置から原料ガス８を供給する場合と比較して、例えば図６、図７に示したイオン源２ａと比較して、熱陰極１０の先端部から放出される熱電子とガス分子との衝突回数が増加するので、電子（二次電子）を発生させる割合が大きくなり、放電を維持しやすくなる。その結果、熱陰極１０の加熱温度や、熱陰極１０とプラズマ生成容器４との間のアーク放電電圧（即ちアーク放電時のアーク電源３６の出力電圧）を低くしても、所要のアーク放電を維持することが可能になる。
【００５６】
熱陰極１０の加熱温度を低くすることによって、熱陰極１０の消耗量が減るので、熱陰極１０の寿命を長くすることができる。
【００５７】
アーク放電電圧を低くすることによって、プラズマ２０から受ける熱陰極１０のスパッタリングを低減することができるので、熱陰極１０の消耗量が減り、熱陰極１０の寿命を長くすることができる。また、低いアーク放電電圧で運転を行うことによって、電離電圧や解離電圧の低い分子イオンやクラスターイオンの収量増加を図ることもできる。即ち、イオンビーム３２中に含まれる分子イオンやクラスターイオンの割合増加を図ることもできる。
【００５８】
また、この実施形態のイオン源２においては、熱陰極１０の内部導体１４が中空であるので、中実の場合に比べて、内部導体１４の質量や断面積が大きくなるのを抑えつつ、内部導体１４の太さ（例えば外径）を大きくすることができる。その結果、内部導体１４の単位表面積当たりの熱の集中を抑制して、内部導体１４の温度上昇を抑制することができる。従って、内部導体１４の寿命ひいては熱陰極１０の寿命を長くすることができる。
【００５９】
より具体的には、内部導体１４の外径が外部導体１２の内径よりも小さいと内部導体１４の温度は外部導体１２の温度よりも必ず高くなるけれども、内部導体１４の外径を大きくすることによって、例えば外部導体１２の内径に近づけることによって、内部導体１４の温度を外部導体１２の温度に近づけることができる。
【００６０】
熱陰極１０は、例えば図８、図９に示す例のように、前記接続導体１６を有する代わりに、外部導体１２の先端部と内部導体１４の先端部とを電気的に直接接続して、その接続部１８で前記加熱電流ＩH が折り返されるよう構成しても良い。
【００６１】
より具体的には、図８に示す熱陰極１０では、外部導体１２の先端部を内側に絞っておくことによって、内部導体１４の先端部と接触させて、両先端部を互いに電気的に接続している接続部１８を形成している。
【００６２】
図９に示す熱陰極１０では、内部導体１４の先端部を外側に広げておくことによって、外部導体１２の先端部と接触させて、両先端部を互いに電気的に接続している接続部１８を形成している。
【００６３】
上記接続部１８における両導体１２、１４の先端部の接続は、嵌め合いによる接続だけでも良いし、それと溶接を併用しても良い。溶接を併用すると、接続の信頼性が向上する。
【００６４】
熱陰極１０の温度制御の応答性の観点から、図３、図８、図９に示した各熱陰極１０を比べると、図８、図９に示した熱陰極１０では、外部導体１２の先端部と内部導体１４の先端部とを、接続導体を用いずに電気的に直接接続しているので、接続導体１６を用いた図３の熱陰極１０に比べて、熱陰極１０の先端部の体積を小さくすることができる。その結果、熱陰極１０の熱容量を小さくし、温度制御時の時定数を小さくして、温度制御の応答性をより良くすることができる。
【００６５】
上記いずれの例の熱陰極１０においても、内部導体１４を、外部導体１２よりも融点の高い材料で形成しておいても良い。その一例を挙げると、外部導体１２をタンタルで形成し、内部導体１４をタングステンで形成しておいても良い。前述したように、内部導体１４は必ず外部導体１２よりも温度が高くなるので、内部導体１４を外部導体１２よりも融点の高い材料で形成しておくことによって、内部導体１４の耐熱性を高くして、内部導体１４の寿命ひいては熱陰極１０の寿命をより長くすることができる。また、熱陰極１０の運転範囲をより広くすることもできる。
【００６６】
上記反射電極４０、４２を設けることはを必須ではないが、それらを設けておくと前述したようにプラズマ２０の生成効率を高めることができる。
【００６７】
特に、Ｙ方向においてイオン引出し口６を間にして熱陰極１０の先端に対向する反射電極４０を設けておくと、熱陰極１０から放出された電子（熱電子）やプラズマ２０中の電子を熱陰極１０の対向部において反射させて、当該電子とガス分子との衝突確率を高めて、プラズマ生成効率ひいてはイオンビーム生成効率をより向上させることができる。更に、Ｙ方向において、イオン引出し口６を間にして熱陰極１０の先端に対向する位置に反射電極４０が存在するので、イオン引出し口６の長手方向に沿う方向（即ちＹ方向）におけるプラズマ密度分布の均一性ひいてはビーム電流密度分布の均一性が向上する。その結果例えば、長手方向寸法のより大きいイオン引出し口６およびイオンビーム３２の引き出しにも対応することが容易になる。
【００６８】
なお、反射電極４０、４２は、それぞれ、どこにも接続せずに浮遊電位にしても良いし、熱陰極１０の一端（例えばマイナス端。この実施形態では内部導体１４）に接続して熱陰極電位にしても良い。浮遊電位にしても、反射電極４０、４２にはプラズマ２０中の軽くて移動度の高い電子がイオンよりも遥かに多く入射して、反射電極４０、４２はそれぞれ負電位に帯電して電子を反射する作用を奏する。
【符号の説明】
【００６９】
２  イオン源
４  プラズマ生成容器
６  イオン引出し口
８  原料ガス
１０  熱陰極
１２  外部導体
１４  内部導体
１６  接続導体
１８  接続部
２０  プラズマ
３２  イオンビーム
６６  ガスノズル
ＩH   加熱電流
【先行技術文献】
【特許文献】
【００７０】
【特許文献１】特開２００６−５４１０８号公報（段落００２０−００２３、図１、図２）
【図１】
2010267505.tif 000003
【図２】
2010267505.tif 000004
【図３】
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【図４】
2010267505.tif 000006
【図５】
2010267505.tif 000007
【図６】
2010267505.tif 000008
【図７】
2010267505.tif 000009
【図８】
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【図９】
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