(57)【要約】【課題】負イオンの引出効率を向上させ電流密度のより高い負イオンビームを出射できる負イオン源を提供することを課題とする。【解決手段】本発明に係る負イオン源１０は、プラズマ容器１２と、熱電子を放出するフィラメント１６と、カスプ磁場を形成する複数の磁石Ｍ１と、プラズマから負イオンを引き出す引出電極２６と、プラズマ容器１２の内部空間を放電空間Ｓ１と引出空間Ｓ２とに分割するフィルタ磁場ＭＦを形成するフィルタ磁場形成手段Ｍ２と、プラズマ容器１２内に配置され、放電空間Ｓ１から引出空間Ｓ２への正イオンの移動を妨げるためのバリア電極３０とを備え、バリア電極３０は、ビーム軸Ｃ方向において引出電極２６との間にフィルタ磁場ＭＦを挟むような位置に配置され、この位置に正電位の等電位空間を形成し励起分子等の移動を許容するような複数の空間部３５を形成する形状を有することを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマを生成し、このプラズマを負イオンの供給源として負イオンビームを出射する負イオン源であって、
イオン引出開孔を有し、外部から原料ガスが供給されるプラズマ容器と、
前記プラズマ容器内に配置され、電圧が印加されることにより熱電子を放出して前記原料ガスからプラズマ、励起状態の分子及び励起状態の原子を生成するフィラメントと、
前記プラズマ容器の外周に沿って設けられ、当該プラズマ容器内に前記プラズマを閉じ込めるためのカスプ磁場を形成する複数の磁石と、
前記イオン引出開孔と対向するように前記プラズマ容器の外部に配置され、前記プラズマ容器との間に引出電圧が印加されることにより前記イオン引出開孔を通じてプラズマ容器内に生成されたプラズマから負イオンを外部に引き出して前記負イオンビームを生成する引出電極と、
磁力線が一方向を向くように前記負イオンビームのビーム軸と直交する面に沿って前記プラズマ容器の内部空間を横断するフィルタ磁場を、このフィルタ磁場が前記内部空間を前記フィラメントの配置される放電空間と前記引出電極に接する引出空間とに分割するような位置に形成するフィルタ磁場形成手段と、
前記プラズマ容器内に配置され、前記放電空間から前記引出空間への前記プラズマ中の正イオンの移動を妨げるためのバリア電極と、を備え、
前記バリア電極は、前記ビーム軸方向において前記引出電極との間に前記フィルタ磁場を挟むような位置に配置され、前記プラズマ容器との間にバリア電圧が印加されることにより前記配置された位置において前記ビーム軸と直交する面に沿った正電位の等電位空間を形成し、前記放電空間から前記引出空間への前記励起状態の分子及び励起状態の原子の移動を許容するような複数の空間部を形成する形状を有することを特徴とする負イオン源。
【請求項２】
請求項１に記載の負イオン源において、
前記バリア電極は、前記ビーム軸と直交する面において前記プラズマ容器の内周面に沿うような形状の枠部材と、この枠部材に掛け渡される複数本の線状部材とを備え、前記掛け渡される線状部材間に前記空間部が形成されることを特徴とする負イオン源。
【請求項３】
請求項２に記載の負イオン源において、
前記バリア電極では、前記ビーム軸方向から見て前記線状部材が前記イオン引出開孔の位置を避けるように配置されることを特徴とする負イオン源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素等の原料ガスからプラズマを生成し、このプラズマを負イオンの供給源として負イオンビームを出射する負イオン源に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、プラズマからイオンを引き出してイオンビームを出射するイオン源としては、特許文献１に記載のイオン源が知られている。
【０００３】
このイオン源は、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示されるように、原料ガスが供給されるプラズマ容器１１２と、熱電子を放出するフィラメント１１４と、プラズマをプラズマ容器１１２内に閉じ込めるためのカスプ磁場を形成する複数の磁石１１６，１１６，…と、プラズマからイオンを引き出す引出電極１１８とを備える。
【０００４】
このイオン源１１０では、以下のようにして、イオンビームが出射される。原料ガスが供給されたプラズマ容器１１２内でフィラメント１１４が熱電子を放出することによって、前記原料ガスがプラズマ化する。このプラズマがカスプ磁場によってプラズマ容器１１２内に閉じ込められ、この閉じ込められたプラズマからイオンが引出電極１１８によってプラズマ容器１１２外に引き出され、イオンビームが形成される。
【０００５】
前記のようなイオン源１１０では、例えば、原料ガスとして水素ガスを用いた場合、カスプ磁場に閉じ込められたプラズマにおいて、以下の式（１）で示すような電子剥離反応によって生成された負イオンの一部が消滅する。即ち、前記プラズマにおいて、負イオン損失が生じる。この電子剥離反応は、前記熱電子等の高速電子（ｅ（ｆａｓｔ））が負イオン（Ｈ-）に衝突することによって負イオン（Ｈ-）が消滅する反応である。
【０００６】
Ｈ-+ｅ（ｆａｓｔ）→Ｈ０+２ｅ          ・・・・・（１）
この電子解離反応を抑制することにより、プラズマ容器１１２内で生成したプラズマにおける負イオンの損失量を減少させ、イオンビームの電流密度を向上させた負イオン源が開発された（特許文献２参照）。
【０００７】
この負イオン源は、図６に示されるように、フィルタ磁場形成手段１２０をさらに備えている（特許文献２参照）。このフィルタ磁場形成手段１２０は、プラズマ容器１１２の内部空間を負イオンビームのビーム軸ａｘと略直交する面に沿って磁力線ｌｍが横断し、フィラメント１１４が配置されている放電空間１２２と引出電極１１８に接する引出空間１２４とに分割する磁場（フィルタ磁場）ｍｆを形成するためのものである。
【０００８】
このフィルタ磁場形成手段１２０を備えたイオン源１１０ａは、以下のようにして電流密度を向上させた負イオンビームを出射する。まず、前記のイオン源１１０同様、プラズマ容器１１２内に供給された原料ガスがフィラメント１１４の放出する熱電子によってプラズマ化される。このように生成されたプラズマは、プラズマ容器１１２の内部空間（放電空間１２２及び引出空間１２４）内に拡がる。このとき、フィルタ磁場ｍｆによって、放電空間１２２から引出空間１２４への高速電子の拡散が妨げられ、引出空間１２４内に拡がったプラズマは高速電子の少ない状態となる。
【０００９】
これは、放電空間１２２から引出空間１２４へ移動しようとした高速電子の多くは、フィルタ磁場ｍｆを通過しようとしたときにローレンツ力が働くことによって直ぐに向きを変え、フィルタ磁場ｍｆを通過できずに放電空間１２２に戻るからである。
【００１０】
このように引出空間１２４のプラズマが高速電子の少ない状態となることで、当該プラズマにおいて、高速電子と負イオンとの衝突によって生じる電子解離反応が抑制され、負イオンの損失量が減少する。
【００１１】
また、引出空間１２４では、プラズマが低速電子と励起状態の水素分子とが多数存在した状態となるため、これら低速電子と励起状態の水素分子との付着による負イオンの生成が行われ易くなる。
【００１２】
これは、前記のように多くの高速電子がフィルタ磁場ｍｆにより跳ね返され、放電空間１２２から引出空間１２４への移動を妨げられるが、一部の高速電子がフィルタ磁場ｍｆに捕捉され、プラズマ容器１１２内に存在する水素ガス等と衝突しながらエネルギーを失い、低速電子となって引出空間１２４に到達することに加え、引出空間１２４を囲む壁面でのイオンや電子衝突によって引出空間１２４内で低速電子が生成されているからである。
【００１３】
このように、フィルタ磁場ｍｆが放電空間１２２から引出空間１２４への励起状態の水素分子の移動を許容すると共に放電空間１２２から引出空間１２４への高速電子の拡散を妨げ低速電子の拡散のみを許容することにより、引出空間１２４のプラズマは、その内部に低速電子と励起状態の水素分子とが多数存在した状態となる。このように低速電子と励起状態の水素分子が増えると、これらが互いに付着して負イオンが生成される確率が高くなり、負イオンの生成効率が向上する。
【００１４】
このように、フィルタ磁場ｍｆを設けた負イオン源１１０ａにおいては、前記電子解離反応が抑制されると共に引出空間１２４における負イオンの生成効率が向上するため、引出電極１１８によって引き出される負イオンの量が増加し、即ち、負イオンの引出効率が向上し、負イオンビームの電流密度の向上が図られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開平８−２１２９５４号公報
【特許文献２】特開２００２−１９７９８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかし、近年、分析や加工等の種々の分野において、負イオンの引出効率をさらに高め、電流密度のより高い負イオンビームを出射できる負イオン源が求められている。
【００１７】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、負イオンの引出効率を向上させ、電流密度のより高い負イオンビームを出射できる負イオン源を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明者らは、上記課題を解消するために、相互中性化反応に着目した。
【００１９】
プラズマにおける負イオンの損失は、前記の電子解離反応以外に、以下の式（２）に示す相互中性化反応によっても生じる。尚、この式（２）は、水素イオンにおける相互中性化反応を示す。
【００２０】
Ｈ-+Ｈ+→２Ｈ０                        ・・・・・（２）
この相互中性化反応は、負イオンに正イオンが衝突して互いに中性化することによって負イオンが消滅する。
【００２１】
前記のフィルタ磁場ｍｆを備えた負イオン源１１０ａでは、フィルタ磁場ｍｆによって引出空間１２４への高速電子の拡散が妨げられ、引出空間１２４内の高速電子の数が減少することにより、前記電子解離反応が抑制されて負イオンの損失が抑制された。
【００２２】
しかし、フィルタ磁場ｍｆは、質量の大きな正イオンの引出空間１２４への移動を防げることができない。即ち、正イオンは、電子に比べ質量が非常に大きく、フィルタ磁場ｍｆ中でラーマー半径が大きくなるため、進行方向を変えて放電空間１２２へ引き返す前にフィルタ磁場ｍｆを通過してしまう。従って、引出空間１２４内のプラズマにおける正イオンの排除が困難であった。
【００２３】
以上のように、フィルタ磁場ｍｆを備えた負イオン源１１０ａでは、引出空間１２４内のプラズマにおいて、電子解離反応による負イオンの損失を抑制することはできたが相互中性化反応による負イオンの損失を抑制することはできなかった。
【００２４】
そこで、本発明者らは、以下の構成の負イオン源を創作することにより上記課題を解消した。
【００２５】
本発明に係る負イオン源は、プラズマを生成し、このプラズマを負イオンの供給源として負イオンビームを出射する負イオン源であって、イオン引出開孔を有し、外部から原料ガスが供給されるプラズマ容器と、前記プラズマ容器内に配置され、電圧が印加されることにより熱電子を放出して前記原料ガスからプラズマ、励起状態の分子及び励起状態の原子を生成するフィラメントと、前記プラズマ容器の外周に沿って設けられ、当該プラズマ容器内に前記プラズマを閉じ込めるためのカスプ磁場を形成する複数の磁石と、前記イオン引出開孔と対向するように前記プラズマ容器の外部に配置され、前記プラズマ容器との間に引出電圧が印加されることにより前記イオン引出開孔を通じてプラズマ容器内に生成されたプラズマから負イオンを外部に引き出して前記負イオンビームを生成する引出電極と、磁力線が一方向を向くように前記負イオンビームのビーム軸と直交する面に沿って前記プラズマ容器の内部空間を横断するフィルタ磁場を、このフィルタ磁場が前記内部空間を前記フィラメントの配置される放電空間と前記引出電極に接する引出空間とに分割するような位置に形成するフィルタ磁場形成手段と、前記プラズマ容器内に配置され、前記放電空間から前記引出空間への前記プラズマ中の正イオンの移動を妨げるためのバリア電極と、を備え、前記バリア電極は、前記ビーム軸方向において前記引出電極との間に前記フィルタ磁場を挟むような位置に配置され、前記プラズマ容器との間にバリア電圧が印加されることにより前記配置された位置において前記ビーム軸と直交する面に沿った正電位の等電位空間を形成し、前記放電空間から前記引出空間への前記励起状態の分子及び励起状態の原子の移動を許容するような複数の空間部を形成する形状を有することを特徴とする。
【００２６】
かかる構成によれば、バリア電極が備えられることによって、前記引出空間への正イオンの移動が妨げられ、この正イオンと前記引出空間内のプラズマ中の負イオンとの相互中性化反応が抑制され、この相互中性化反応によるイオン損失が抑制される。そのため、前記引出空間内のプラズマから負イオンを引き出すことによって、前記フィルタ磁場形成手段を備えるが前記バリア電極のない従来の負イオン源に比べ、電流密度のより高い負イオンビームが出射される。
【００２７】
即ち、前記バリア電圧が印加された前記バリア電極によって、前記放電空間から前記引出空間へ移動しようとする正イオンが跳ね返され、これにより、前記引出空間に拡がるプラズマ内の正イオンの数が減少し、この正イオンとの相互中性化反応が抑制される。
【００２８】
詳細には、前記バリア電圧が前記バリア電極に印加されることによって、前記ビーム軸と直交する面に沿って正電位の等電位空間が拡がる。そのため、前記放電空間から前記引出空間へ移動しようとする正イオンは、この等電位空間で跳ね返され、前記放電空間から前記引出空間への移動が妨げられる。
【００２９】
一方、前記バリア電極は、前記放電空間から前記引出空間への前記励起状態の分子及び励起状態の原子の移動を許容するような複数の空間部を形成する形状を有するため、前記バリア電極が印加されることにより、前記正イオンを跳ね返すが中性粒子である励起状態となった原料ガスを構成する分子や原子（例えば、励起状態の水素ガス分子）の放電空間から引出空間への移動を許容する。
【００３０】
以上のように、前記引出空間内のプラズマにおいては、高速電子と正イオンとが排除されると共に、励起した原料ガスを構成する分子（例えば、励起状態の水素分子）や原子、即ち、励起状態の分子及び原子と低速電子とが多く存在することになる。そのため、励起した前記分子と前記低速電子との付着による負イオンの生成が増加すると共に、前記電子解離反応と前記相互中性化反応とが抑制され、従来の負イオン源よりも前記引出空間におけるプラズマ中の負イオンの損失が抑制される。その結果、前記引出空間における負イオンの生成効率が向上し、電流密度のより高い負イオンビームの出射が可能になる。
【００３１】
また、本発明に係る負イオン源では、前記バリア電極は、前記ビーム軸と直交する面において前記プラズマ容器の内周面に沿うような形状の枠部材と、この枠部材に掛け渡される複数本の線状部材とを備え、前記掛け渡される線状部材間に前記空間部が形成される構成が好ましい。
【００３２】
かかる構成によれば、前記枠部材と前記複数本の線状部材とを組み合わせた簡易な構成によって、前記等電位空間を形成しつつ、前記励起状態の分子及び原子の前記放電空間から前記引出空間への移動を許容するバリア電極を形成することができる。
【００３３】
また、前記バリア電極では、前記ビーム軸方向から見て前記線状部材が前記イオン引出開孔の位置を避けるように配置される構成が好ましい。
【００３４】
かかる構成によれば、前記放電空間から前記引出空間のイオン引出開孔近傍に向かう前記励起した原料ガスを構成する分子や原子の移動が前記線状部材によって妨げられ難くなる。即ち、前記イオン引出開孔近傍のプラズマに向けた前記放電空間からの前記励起状態の分子及び原子の移動が前記線状部材によって妨げられない。
【００３５】
そのため、前記ビーム軸方向から見て前記線状部材がイオン引出開孔の位置に配置された場合に比べ、前記イオン引出開孔近傍のプラズマ中への前記励起状態の分子及び原子の移動が容易になり、イオン引出開孔近傍の励起状態の分子及び原子の数が増加する結果、前記励起状態の分子と低速電子との付着による負イオンの生成効率が向上する。
【発明の効果】
【００３６】
以上より、本発明によれば、負イオンの引出効率を向上させ電流密度のより高い負イオンビームを出射できる負イオン源を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本実施形態に係る負イオン源において、（ａ）は、概略構成図を示し、（ｂ）は、図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示し、（ｃ）は、図１（ａ）におけるＢ−Ｂ端面図を示す。
【図２】同実施形態に係る負イオン源において、（ａ）は、図１（ａ）の負イオン源におけるプラズマを構成する各粒子の移動状態を示す図であり、（ｂ）は、図１（ｂ）におけるカスプ磁場を示す図であり、（ｃ）は、図１（ｃ）におけるフィルタ磁場を示す図である。
【図３】他実施形態に係るバリア電極であって、（ａ）は、格子状に線状部材が掛け渡されたバリア電極を示す図であり、（ｂ）は、同心円状の線状部材が枠部材に接続されたバリア電極を示す図である。
【図４】他実施形態に係る負イオン源であって、フィルタ磁場が複数層形成される負イオン源の概略構成図である。
【図５】従来のイオン源であって、（ａ）は、縦断面の概略構成図であり、（ｂ）は横断面の概略構成図である。
【図６】従来のフィルタ磁場形成手段を備えた負イオン源の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明の一実施形態について、図１（ａ）乃至図２（ｃ）を参照しつつ説明する。
【００３９】
本実施形態に係る負イオン源１０は、水素ガスを原料ガスとして用い、この水素ガスからプラズマを生成し、このプラズマを水素負イオンの供給源として水素負イオンビームを照射するものである。具体的には、負イオン源１０は、プラズマ容器１２と、当該プラズマ容器１２内にカスプ磁場を形成する複数のカスプ磁場形成用磁石Ｍ１，Ｍ１，…と、プラズマ容器１２内に配置され、熱電子を放出するフィラメント１６と、プラズマから水素負イオンを引き出す引出電極２６と、プラズマ容器１２内での高速電子の移動を妨げるための複数のフィルタ磁場形成用磁石（フィルタ磁場形成手段）Ｍ２，Ｍ２，…と、プラズマ容器１２内での水素正イオンの移動を妨げるためのバリア電極３０とを備える。
【００４０】
プラズマ容器１２は、イオン引出開孔２４を有する中空の容器であり、無酸素銅により形成されている。具体的に、プラズマ容器１２は、一方の端（本実施形態では上端）が開口する容器本体１２ａと、この容器本体１２ａの前記開口を塞ぐ蓋部１２ｂとで構成されている。容器本体１２ａは、下端が容器底部２０によって塞がれた円筒状に形成されている。容器底部２０は、水素負イオンビームのビーム軸Ｃと直交する方向に拡がる板状の部位であり、その中央部（ビーム軸Ｃと交差する位置）に、水素負イオンをプラズマ容器１２内から外部に引き出すときに前記水素負イオンが通過するイオン引出開孔２４が設けられている。このイオン引出開孔２４から水素負イオンが引出電極２６によって引き出されることにより生成された水素負イオンビームの中心軸（ビーム軸Ｃ）が円筒状の容器本体１２ａの中心軸と一致する。
【００４１】
複数のカスプ磁場形成用磁石（以下、単に「カスプ用磁石」とも称する。）Ｍ１，Ｍ１，…は、容器内に形成される磁場方向が交互に変わるよう、容器本体１２ａの外周面、即ち、プラズマ容器１２の側壁外周面に沿って配置されている。具体的には、このカスプ用磁石Ｍ１は、プラズマ容器１２の側壁に沿って上下方向に延びる永久磁石である。そして、複数のカスプ用磁石Ｍ１，Ｍ１，…は、プラズマ容器１２側、即ち、プラズマ容器１２と対向する面の磁極がＮ極、Ｓ極、Ｎ極、…と交互に変わるよう、プラズマ容器１２の側壁外周面に沿って等間隔に配置される（図１（ｂ）参照）。また、カスプ用磁石Ｍ１は、プラズマ容器１２の蓋部１２ｂの上面にも配置されている。この蓋部１２ｂに配置されるカスプ用磁石Ｍ１も、隣り合うカスプ用磁石Ｍ１のプラズマ容器１２と対向する面の磁極が交互に変わるように配置されている。このようにプラズマ容器１２に複数のカスプ用磁石Ｍ１，Ｍ１，…が配置されることにより、プラズマ容器１２内にプラズマを閉じ込めるための磁場（カスプ磁場）が形成される（図２（ｂ）参照）。
【００４２】
このプラズマ容器１２には、当該プラズマ容器１２の内部に水素ガス（原料ガス）を供給する原料ガス供給手段１４が接続されている。原料ガス供給手段１４は、原料ガス供給管１５を通じてプラズマ容器１２に設けられた原料ガス噴出孔１５ａから、プラズマ容器１２内に水素ガスを供給する。
【００４３】
また、プラズマ容器１２には、引出電源５４が接続されている。この引出電源５４は、プラズマ容器１２と大地との間に所定の電圧を印加するためのものである。
【００４４】
フィラメント１６は、タングステンやタンタル等で形成された線部材で、その両端部に加熱電圧が印加されることにより加熱され、その状態でプラズマ容器１２との間に放電電圧が印加されることによって熱電子を放出するものである。この放出された熱電子がプラズマ容器１２内に供給される水素ガスと衝突することにより、当該水素ガスをイオン化させてプラズマが生成される。尚、このプラズマの生成時には、励起状態の水素分子も生成される。
【００４５】
フィラメント１６の両端部は、蓋部１２ｂに配設された一対の端子１８，１８を介して当該フィラメント１６の両端部間に加熱電圧を印加するための加熱用電源５０に接続されている。一対の端子１８は、それぞれ下端部がプラズマ容器１２内、上端部がプラズマ容器１２外に位置するよう、プラズマ容器１２の蓋部１２ｂを貫通するように配設された棒状の端子である。この端子の蓋部１２ｂを貫通している部位は、その周囲をセラミック等の絶縁体１８ａで覆われており、蓋部１２ｂ（プラズマ容器１２）とは電気的に絶縁されている。このように一対の端子１８，１８がプラズマ容器１２と電気的に絶縁されることにより、フィラメント１６もプラズマ容器１２と電気的に絶縁される。
【００４６】
フィラメント１６には、さらに、プラズマ容器１２との間に放電電圧を印加するためのアーク電源５２も接続されている。
【００４７】
引出電極２６は、イオン引出開孔２４と対向するようにプラズマ容器１２の外部に配置されている。具体的に、引出電極２６は、容器本体１２ａの容器底部２０の直下流側に設けられ、容器本体１２ａ（プラズマ容器１２）と絶縁部材２７を介して接続されている。この引出電極２６には、ビーム軸Ｃ上にビーム通過孔２８が設けられている。即ち、プラズマ容器１２のイオン引出開孔２４と引出電極２６のビーム通過孔２８とがビーム軸Ｃ上に並んでいる。この引出電極２６は、大地に接地されている。そのため、引出電源５４によってプラズマ容器１２が印加されることにより、プラズマ容器１２と当該引出電極２６との間に電位差が生じ、この電位差によりイオン引出開孔２４を通じてプラズマ容器１２内に生成されたプラズマから水素負イオンを外部に引き出して水素負イオンビームを生成する。
【００４８】
複数のフィルタ磁場形成用磁石（以下、単に「フィルタ用磁石」とも称する。）Ｍ２，Ｍ２，…は、プラズマ容器１２内にフィルタ磁場ＭＦを形成するためのものである。複数のフィルタ用磁石Ｍ２，Ｍ２，…は、プラズマ容器１２の側壁下部において、当該側壁の外周面に沿って配置されている。具体的には、各カスプ用磁石Ｍ１の下方にフィルタ用磁石Ｍ２が配置されている。これら複数のフィルタ用磁石Ｍ２，Ｍ２，…は、図２（ｃ）にも示されるように、プラズマ容器１２におけるビーム軸Ｃを通る一つの直径ｄを境に、一方側に配置される各フィルタ用磁石Ｍ２のプラズマ容器１２に対向する面の磁極がＮ極、他方側に配置される各フィルタ用磁石Ｍ２のプラズマ容器１２に対向する面がＳ極となるように配置されている。このように複数のフィルタ用磁石Ｍ２，Ｍ２，…が配置されることで、プラズマ容器１２内にビーム軸Ｃと直交する面に沿って磁力線ＬＭが一方に向くように当該プラズマ容器１２の内部空間を横断するようなフィルタ磁場ＭＦが形成される。
【００４９】
このように配置される複数のフィルタ用磁石Ｍ２，Ｍ２，…によって形成されるフィルタ磁場ＭＦは、ビーム軸Ｃ方向において、プラズマ容器１２の内部空間をフィラメント１６の配置される放電空間Ｓ１と、容器底部２０に接する引出空間Ｓ２とに分割するような位置に形成される。具体的には、フィルタ磁場ＭＦは、ビーム軸Ｃ方向において、カスプ用磁石Ｍ１と容器底部２０との間に形成される。
【００５０】
尚、フィルタ磁場ＭＦを形成する手段として、本実施形態では、複数のフィルタ用磁石Ｍ２，Ｍ２，…が用いられ、これらフィルタ用磁石Ｍ２，Ｍ２，…が、カスプ用磁石Ｍ１同様に、プラズマ容器１２の側壁外周面に沿って配置されることによりフィルタ磁場ＭＦが形成されているが、これに限定される必要はない。即ち、フィルタ磁場ＭＦを形成する手段として、プラズマ容器１２の側壁外周面に沿って湾曲する一対の磁石Ｍ３、Ｍ３が用いられ、これら一対の磁石Ｍ３，Ｍ３が、プラズマ容器１２の側壁外周面において、径方向に対向する位置で且つ互いに対向する面の磁極が逆となるように配置されてもよい（図２（ｃ）の破線参照）。即ち、フィルタ磁場ＭＦを形成する手段は、ビーム軸Ｃと直交する面に沿って、磁力線ＬＭが一方向を向いてプラズマ容器１２の内部空間を横断するような磁場が形成されるよう構成されていればよい。
【００５１】
バリア電極３０は、プラズマ容器１２内に配置され、水素正イオンの移動を妨げるための電極である。バリア電極３０は、ビーム軸Ｃ方向において、カスプ用磁石Ｍ１とフィルタ用磁石Ｍ２の間に配置されている。即ち、バリア電極３０は、容器底部２０との間にフィルタ磁場ＭＦを挟むような位置に配置されている。このバリア電極３０は、プラズマ容器１２との間にバリア電圧が印加されることにより、前記配置された位置においてビーム軸Ｃと直交する面に沿った正電位の等電位空間を形成する。この等電位空間によって、バリア電極３０は、放電空間Ｓ１から引出空間Ｓ２へのプラズマ中の水素正イオンの移動を妨げる。
【００５２】
このバリア電極３０は、放電空間Ｓ１から引出空間Ｓ２への励起状態の水素分子の移動を許容するような複数の空間部３５，３５，…を形成する形状を有する。具体的には、バリア電極３０は、タングステンで形成された枠部材３２と、この枠部材３２に掛け渡される複数本の線状部材３４，３４，…とを備える。
【００５３】
枠部材３２は、ビーム軸Ｃと直交する面においてプラズマ容器１２の側壁の内周面に沿うような枠状の部材である。複数の線状部材３４，３４，…は、隣り合う線状部材３４同士が平行となるように枠部材３２に等間隔に掛け渡される。このように線状部材３４が掛け渡されることにより、隣り合う線状部材３４，３４間に空間部３５が形成される。本実施形態においては、励起状態の水素分子の放電空間Ｓ１から引出空間Ｓ２への移動を妨げないように、線状部材３４には、直径が０．１ｍｍ程度のタングステンの電極ワイヤが用いられる。また、バリア電極では、ビーム軸Ｃ方向視、線状部材３４がイオン引出開孔２４の位置を避けるように枠部材３２に配置される。
【００５４】
尚、本実施形態においては、バリア電極３０は、タングステンで形成されているが、これに限定されない。即ち、バリア電極３０は、負イオンビーム射出時には、プラズマ中に位置するため、耐久性の高いタンタル、モリブデン等の高融点金属で形成されていればよい。また、枠部材３２と線状部材３４とが同一素材である必要もなく、異なる素材であってもよい。
【００５５】
バリア電極３０には、プラズマ容器１２の側壁に配設された電流導入端子３６を介してプラズマ容器１２との間にバリア電圧を印加するためのバリア用電源５８が接続されている。
【００５６】
電流導入端子３６は、一方側端部がプラズマ容器１２内、他方側端部がプラズマ容器１２外に位置するよう、プラズマ容器１２の側壁を貫通するように配設された棒状の端子である。この電流導入端子３６の側壁を貫通している部位は、その周囲をセラミック等の絶縁体３６ａで覆われており、側壁（プラズマ容器１２）とは電気的に絶縁されている。そのため、バリア電極３０は、プラズマ容器１２と電気的に絶縁される。
【００５７】
以上のように構成される負イオン源１０では、以下のようにして、水素負イオンビームが出射される。
【００５８】
まず、プラズマ容器１２内にプラズマが生成され、このプラズマがカスプ磁場によってプラズマ容器１２内に閉じ込められる。このとき、プラズマ中には励起状態の水素分子も存在する。
【００５９】
具体的には、フィラメント１６の両端に加熱用電源５０によって加熱電圧が印加され、この状態でフィラメント１６とプラズマ容器１２との間にアーク電源５２によって放電電圧が印加される。
【００６０】
そうすると、フィラメント１６が加熱電圧の印加によって発熱して熱電子を放出し易い状態となり、さらに放電電圧が印加されることで、フィラメント１６とプラズマ容器１２との間でアーク放電が起こり、フィラメント１６から熱電子がアーク電流として放電空間Ｓ１内に放出される。
【００６１】
一方、プラズマ容器１２内が真空ポンプ（図示省略）等によって真空引きされ、原料ガス供給手段１４によって、当該プラズマ容器１２内に水素ガスが供給される。
【００６２】
さらに、バリア用電源５８によってバリア電極３０とプラズマ容器１２との間にバリア電圧も印加される。具体的には、バリア電極電位がイオン温度よりも若干高めになるようにバリア電圧が設定される。本実施形態においては、例えば、プラズマ中のイオン温度が１〜５ｅＶ程度となるため、バリア用電源５８によって１０Ｖ程度の直流電圧（バリア電圧）が印加される。
【００６３】
また、プラズマ容器１２内には、フィルタ用磁石Ｍ２，Ｍ２，…によって、フィルタ磁場ＭＦが常に形成されている。
【００６４】
放電空間Ｓ１内に放出された熱電子ｅ（ｆａｓｔ）は、プラズマ容器１２内に充満している水素ガスと衝突して電子を弾き出し、この水素ガスをプラズマ化する。このプラズマ中では、以下の式（３）及び式（４）のように２段階の反応を経て水素負イオンが生成される。
【００６５】
Ｈ２+ｅ（ｆａｓｔ）→Ｈ２*＋ｅ          ・・・・・（３）
Ｈ２*+ｅ（ｓｌｏｗ）→Ｈ-+Ｈ０          ・・・・・（４）
プラズマ中では、式（３）及び式（４）の反応が絶えず行われるため、当該プラズマ中には、水素分子（Ｈ２）、励起した水素分子（Ｈ２*）、水素負イオン（Ｈ-）、高速電子（ｅ（ｆａｓｔ））及び低速電子（ｅ（ｓｌｏｗ））が存在している。また、これら以外に、プラズマ中には水素正イオン（Ｈ+）等も存在している。
【００６６】
この放電空間Ｓ１内で生成されたプラズマがプラズマ容器１２内に拡がるときに、プラズマ中の高速電子と水素正イオンの引出空間Ｓ２への移動が妨げられる。そのため、引出空間Ｓ２内に拡がるプラズマでは、内部に高速電子と水素正イオンとが少なくなった状態となっている。
【００６７】
具体的には、バリア電圧が印加されたバリア電極３０によって、放電空間Ｓ１から引出空間Ｓ２へ移動しようとする水素正イオンが跳ね返される。詳細には、バリア電圧がバリア電極３０に印加されることによって、プラズマ容器１２内に、ビーム軸Ｃと直交する面、即ち、バリア電極３０に沿って正電位の等電位空間が拡がる。この等電位空間は、ビーム軸Ｃ方向において、放電空間Ｓ１と引出空間Ｓ２との間に拡がっている。そのため、放電空間Ｓ１から引出空間Ｓ２へ移動しようとする水素正イオンは、正の電位を有するため、この正電位の等電位空間で跳ね返され、放電空間Ｓ１から引出空間Ｓ２への移動が妨げられる（図２（ａ）参照）。
【００６８】
一方、バリア電極３０は、放電空間Ｓ１から引出空間Ｓ２への水素分子や励起状態の水素分子等（中性粒子）の移動を許容する形状を有するため、バリア電極３０が印加されても、これら水素分子や励起状態の水素分子等の放電空間Ｓ１から引出空間Ｓ２への移動を許容する。具体的には、プラズマ中の電気的に中性な励起状態の水素分子等は、等電位空間に跳ね返されることなく空間部３５を通過して引出空間Ｓ２へ移動する。
【００６９】
また、フィルタ磁場ＭＦによって、放電空間Ｓ１から引出空間Ｓ２への電子（高速電子及び低速電子）の移動が妨げられる。即ち、電子は、フィルタ磁場ＭＦを通過しようとしたときにローレンツ力が働き、フィルタ磁場ＭＦ中で放電空間Ｓ１側に直ぐに向きを変える。そのため、多くの電子は、フィルタ磁場ＭＦを通過できずに放電空間Ｓ１に戻される。しかし、一部の高速電子は、フィルタ磁場ＭＦに捕捉され、プラズマ容器１２内に存在する水素ガス等と衝突しながらエネルギーを失い、低速電子となって引出空間Ｓ２に到達する。
【００７０】
さらに、引出空間Ｓ２を囲む壁面でのイオンや電子衝突によっても引出空間Ｓ２内で二次電子としての低速電子が生じる。
【００７１】
以上のように、負イオン源１０においては、バリア電極３０によって引出空間Ｓ２への水素正イオンの移動が妨げられると共にフィルタ磁場ＭＦによって引出空間Ｓ２への電子の移動が妨げられる一方、励起した水素分子の引出空間Ｓ２への移動が許容されるのに加え、一部の高速電子がフィルタ磁場ＭＦを通過するときに低速電子となって引出空間Ｓ２に到達し、さらに引出空間Ｓ２を囲む壁面でのイオンや電子衝突による二次電子としての低速電子が引出空間Ｓ２内で生じる。
【００７２】
その結果、引出空間Ｓ２内では、プラズマ中に低速電子と励起した水素分子とが多数存在した状態となり、当該プラズマ中において、これら低速電子と励起した水素分子とが付着して水素負イオンが生成される確率が高くなる。また、引出空間Ｓ２内のプラズマ中には高速電子が少ないため、当該プラズマ中において、この高速電子と水素負イオンとの衝突による電子解離反応での水素負イオンの消滅が抑制される。さらに、引出空間Ｓ２内のプラズマ中には水素正イオンも少ないため、当該プラズマ中において、この水素正イオンと水素負イオンとの衝突による相互中性化反応での水素負イオンの消滅が抑制される。
【００７３】
このように、フィルタ磁場ＭＦに加え、バリア電極３０によって形成される正電位の等電位空間によって、引出空間Ｓ２内のプラズマ中での電子解離反応による水素負イオンの損失を低減させると共に相互中性化反応による水素負イオンの損失を低減させることができる。
【００７４】
また、フィルタ磁場ＭＦも前記等電位空間も、励起した水素分子の放電空間Ｓ１から引出空間Ｓ２への移動は妨げない。しかも、フィルタ磁場ＭＦにより一部の高速電子が低速電となって引出空間Ｓ２へ移動すると共に引出空間Ｓ２を囲む壁面でのイオンや電子衝突による二次電子として低速電子が引出空間Ｓ２内に生じる。そのため、引出空間Ｓ２内のプラズマ中に励起した水素分子及び低速電子が増加し、これら励起した水素分子と低速電子との付着による水素負イオンの生成確率が向上する。
【００７５】
以上より、引出空間Ｓ２内のプラズマ中には水素負イオンが多数存在した状態となる。換言すると、放電空間Ｓ１内のプラズマに比べ引出空間Ｓ２内のプラズマの方が内部に含まれる水素負イオンが多くなる。
【００７６】
この状態で、引出電源５４の印加によってプラズマ容器１２と引出電極２６との間に電位差が生じることにより、引出空間Ｓ２内のプラズマ、特に、イオン引出開孔２４近傍のプラズマからイオン引出開孔２４を通じて水素負イオンが外部に引き出され、水素負イオンビームが生成される。
【００７７】
以上のように本実施形態の負イオン源１０では、引出空間Ｓ２内のプラズマにおいては、高速電子と水素正イオンとが排除されると共に、励起した水素ガス分子と低速電子とが多く存在する。そのため、引出空間Ｓ２内のプラズマ中において、励起した水素ガス分子と低速電子との付着による負イオンの生成が増加すると共に、電子解離反応と相互中性化反応とが抑制されて水素負イオンの損失が抑制される。その結果、負イオン源１０では、引出空間Ｓ２におけるプラズマ中の水素負イオンの生成効率が向上し、このプラズマから水素負イオンを引き出すことによって電流密度の高い水素負イオンビームの出射が可能になる。
【００７８】
また、本実施形態に係る負イオン源１０では、枠部材３２に複数本の線状部材３４，３４，…が互いに平行となるように掛け渡された簡易な構成によって、前記等電位空間を形成しつつ、励起状態の水素分子等の放電空間Ｓ１から引出空間Ｓ２への移動を許容するバリア電極３０を形成することが可能となる。
【００７９】
尚、本発明の負イオン源１０は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００８０】
例えば、本実施形態においては、バリア電極３０は、環状の枠部材３２に複数の線状部材３４，３４，…が互いに平行となるように掛け渡されているがこれに限定されない。即ち、バリア電極３０は、図３（ａ）に示されるように、枠部材３２に複数の線状部材３４ａ，３４ａ，…が格子状になるように掛け渡されてもよく、図３（ｂ）に示されるように、径の異なる複数の環状の線状部材３４ｂ，３４ｂ，…が枠部材３２と同心円状に配置され、各環状の線状部材３４ｂと枠部材３２とが接続用線状部材３８によって接続されるように構成されてもよい。
【００８１】
即ち、バリア電極は、励起した水素分子等の中性粒子の移動を許容する空間部３５ａ（又は３５ｂ）が複数形成され、バリア電圧が印加されることにより、プラズマ容器１２内にビーム軸Ｃと直交する面に沿って等電位空間を形成できればよい。
【００８２】
尚、バリア電極３０では、前記ビーム軸方向視、前記線状部材がイオン引出開孔２４の位置を避けるように配置される構成が好ましい。このように構成されれば、放電空間Ｓ１から引出空間Ｓ２のイオン引出開孔２４近傍に向かう励起した水素分子等の移動が線状部材３４ａ又は３４ｂによって妨げられ難くなる。即ち、イオン引出開孔２４近傍のプラズマに向けた放電空間Ｓ１からの励起状態の水素分子及び原子の移動が線状部材３４ａ又は３４ｂによって妨げられない。そのため、ビーム軸Ｃ方向から見て線状部材３４ａ又は３４ｂがイオン引出開孔２４の位置に配置された場合に比べ、イオン引出開孔２４近傍のプラズマ中への励起状態の水素分子及び原子の移動が容易になり、イオン引出開孔２４近傍の励起状態の水素分子及び原子の数が増加する結果、励起状態の水素分子と低速電子との付着による水素負イオンの生成効率が向上する。
【００８３】
また、本実施形態においては、プラズマ容器１２内において、フィルタ磁場ＭＦの上方に等電位空間を形成するようにバリア電極３０が配置されているが、図４に示されるように、バリア電極３０の上方に、さらにフィルタ磁場ＭＦが形成されてもよい。即ち、ビーム軸Ｃ方向において、フィルタ磁場ＭＦ中に等電位空間が形成されるようにバリア電極３０が配置されてもよい。
【符号の説明】
【００８４】
１０   負イオン源
１２   プラズマ容器
１６   フィラメント
２４   イオン引出開孔
２６   引出電極
３０   バリア電極
３５   空間部
Ｃ     ビーム軸
Ｍ１   カスプ用磁石（カスプ磁場形成用磁石）
Ｍ２   フィルタ用磁石（フィルタ磁場形成手段）
ＭＦ   フィルタ磁場
Ｓ１   放電空間
Ｓ２   引出空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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