(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正イオン源と、
ビーム入口開口とビーム出口開口とを有するハウジングと；
円筒状の外壁と、円筒状の内壁と、これらにより形成される管状の空間と、を有し、
前記外壁と内壁とが夫々ビーム入口開口とビーム出口開口とを有し、
前記ハウジングに装着されて、前記外壁と内壁とに設けられた開口が前記ハウジングに設けられた開口と並ぶことによりイオンビームの通路を形成する、ターゲットチャンバと；
荷電変換により正イオンソースからの正イオンを負イオンへと変換可能なタイプの気化可能な金属の前記ターゲットチャンバ内におけるリザーバと；
前記管状の空間内に装着され、前記金属を気化するように設けられた加熱エレメントを有する温度コントロールシステムと；
前記正イオン源からの正イオンビームを前記開口を順次通るように向けるための手段と；を備え、
前記ターゲットチャンバが前記管状の空間へ冷却空気を導入するように設けられた導入口を有する；
ことを特徴とするイオン注入等に用いられるタンデムアクセラレータに入射される負イオンを発生するための装置。
【請求項２】
前記加熱エレメントが波形状をなし、前記管状の空間の大部分を占める、
請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記外壁が、前記高温の内壁と前記ターゲットチャンバ外の熱感応性の高い真空装置との間の温度シールドとして機能する、
請求項１に記載の装置。
【請求項４】
少なくとも１つの前記開口が、グラファイトから成る取外し可能な環と境を接する、
請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つの開口にねじを切り、外部締結を不要とした、
請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記加熱エレメントから前記外壁への放射を減少するために設けられたシールドを有する、
請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記内壁が高放射ペイントにより覆われている、
請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記内壁が前記開口においてのみ外壁により支持され、これにより両者間の熱伝達を減少した、
請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記温度コントロールシステムは、加熱中及び温度維持中に０．１秒オーダのパルス幅を有する、
請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はタンデムアクセラレータを採用したイオン注入装置に用いられる荷電変換セルに関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
荷電変換セルはタンデムアクセラレータを使用するイオン注入装置において用いられる。この注入装置は一般に高エネルギ、大電流及び中電流イオン注入の応用に用いられる。
現在の荷電変換セルは中実の壁を有し、そのため加熱、冷却に時間がかかっている。セルの一側面にチューブを溶接し、その内部にヒートカートリッジを挿入し、このヒートカートリッジによりセルの加熱が行われている。したがって熱はチューブから壁を通ってセルの他の部分に伝達する。そのため壁は伝達を良くするため厚くなり、大きな熱量が無駄になっている。冷却はセル体に溶接されたチューブに空気を吹き込むことにより行われる。しかし、チューブの表面積が小さく、またセルの熱量が大きいため、冷却時間が非常に長くなる。セルは４００℃まで加熱するのに約４５分かかるが、１００℃まで冷却するには約１時間ほど要する。
タンデムアクセラレータは荷電変換器を採用して、アクセラレータに入射する負イオンビームを生成する。従来より、この荷電変換プロセスに関してガスや金属蒸気或いは金属箔ターゲット等の種々のタイプのものについて研究がなされてきた。一般にターゲットとして用いられる金属蒸気にはＭｇ、Ｌｉ、Ｋ及びＮａがある。一般には金属蒸気セルは例えば米国特許第４，７１２，０１２（Naylor）に示されるように、ターゲットチャンバ、ビーム開口、リザーバ及び温度コントロールシステムを有する。セルの熱安定性と温度均一化が非常に重要であり、熱安定性は負ビーム出力の安定性を決定している。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
本発明の荷電変換セルは中空の壁に基づいている。中空壁はその内部に加熱エレメントを挿入することが可能であり、これは速度の速いまた均一なセルの加熱を実現する。冷却は中空壁内に直接空気を吹き込むことにより達成できる。壁内の大きな表面領域により、より迅速な冷却が可能である。比較的低温の外壁はまた内壁とセル回りの熱感応性の高い真空装置との間の熱シールドとしても働く。
本発明の好適実施形態によれば、高度に均一でかつ安定した温度を有する金属蒸気荷電変換セルを実現できる。
本発明は添付図面による下記詳細な説明により最も良く理解できる。
【０００４】
【発明の実施の形態】
（好適実施例の説明）
本発明の荷電変換セルは、米国特許第４，９８０，５５６号（O'Connor,White）等の従来のものに改良を加えたものである。
図１において、本発明の荷電変換セルはビーム入口開口２とビーム出口開口３を有するハウジング１とターゲットチャンバ４を備えている。
ターゲットチャンバ４はビーム入口開口６とビーム出口開口７を有する外壁５とビーム入口開口９とビーム出口開口１０を有する内壁８とを備えている。稼働に際してはイオンビーム１１はこれらの開口２，６，９，１０，７，３を順に通過するようになっている。
【０００５】
外壁５のビーム入口開口６にはグラファイト環１８が固定されている。波状の加熱エレメント１２は外壁５と内壁８の間に支持されており、セルの底面と上面との間に延出し、セルの周囲全体にわたって設けられている。
加熱エレメント１２は垂直方向に波形に曲がりくねっており、そのため簡単に取外しが可能になっている。加熱エレメント１２は Watlow 同軸抵抗ケーブル（ Watlow coaxial resistance cable ）等で良く、熱を内壁８へと主として熱放射により伝達する。
熱伝達は内壁８に高放射（ high-emissivity ）ペイントをコーティングすることにより増強することが可能である。この高放射面はまた１０００℃位の加熱エレメント１２の稼動温度を減少させる。またこれによって加熱エレメント１２の寿命が長くなる効果がある。外壁５への輻射はシールド１９により最少化することができる。
【０００６】
内壁８は金属気相源物質のためのリザーバとターゲットチャンバを形成する。内壁８はその２つの開口９，１０においてのみ外壁５により支持されており、これにより両者間の熱伝達を最少化している。これは内壁８と外壁５が異なる温度に保たれるためである。この内壁８と外壁５の壁厚により低熱量、高熱伝導及び可鋳性が得られる。
各開口６，７，９，１０は取外し可能なグラファイト環１８によりイオンビーム１１から保護されている。グラファイト環１８にはねじが切ってあり、挿着、取外しが容易になっている。また別個の機械ねじ等の締結具が不要であり、これにより機械ネジがイオンビームの直接の衝突により歪められ、取外し出来なくなる等の不具合を防止できる。
【０００７】
ターゲットチャンバ４はフランジ１４に備えられたプレートカバー１３により閉じられている。フランジ１４はＯリング１５上に浮いており、フランジ１４の熱膨張を許容するようになっている。これにより壁／フランジの継目における熱ストレスを低減する。またセルの２重壁構造により、冷却空気を冷却空気導入口１６を介して壁内に吹き込むことが可能になり、均一な冷却を行える。
【０００８】
図３に本発明の荷電変換セル１００とタンデムアクセラレータＢとの関係を示す。
イオンビーム１０１は正イオン源１０２から荷電変換セル１００に入り、荷電変換セル１００から出て分析マグネット装置１０３に入るように構成されている。またターボポンプ１０５により荷電変換チャンバ１０４内の真空が維持される。ターボポンプ１０５は熱感応性が高いが、前記したヒートシールドにより守られている。即ちシールド１９により外壁５への放射が最小化されており、この比較的低温の外壁５によるヒートシールドにより守られている。
【０００９】
米国特許第４，９８０，５５６号との比較で云えば、本願の荷電変換セル１００は米国特許第４，９８０，５５６号の exchange canal 4 (Fig.1) と charge exchange system 40 (Fig.3)に相当する。また本願の正イオン源１０２は米国特許第４，９８０，５５６号の ion source 1 に相当する。
更に米国特許第４，７１２，０１２号と比較すれば、本願の荷電変換セル１００は米国特許第４，７１２，０１２号の lithium canal 15 に相当する。また本願の正イオン源１０２は米国特許第４，７１２，０１２の  positive ion source 10 に相当する。この米国特許の従来の非近接連結構造（non-closely-coupled）において、 このpositive ion source 10 は permannent magnet assembly 13により lithium canal 15  から離間している。本願の分析マグネット装置１０３は米国特許第４，７１２，０１２号の permanent magnet assembly 16 に相当している。
【００１０】
この閉ループ温度コントロールシステムは、Ｋタイプ熱電対１７とコントローラ（図示せず）と２０００ワットの前記加熱エレメント１２とを備えている。このコントローラは比例−積分−微分（ＰＩＤ）アルゴリズムを用いている。加熱中及び温度維持中のパルス幅が加熱エレメント１２の寿命を決定する重要な要因である。現在の条件で０．１秒のパルス幅とした場合、加熱エレメント１２の寿命は連続使用で約６ケ月である。
【００１１】
ＰＤＩ法はオン／オフタイプであり、加熱エレメント１２は完全にオンか完全にオフとなる。セルに供給される熱量は、加熱エレメント１２のオン／オフタイムの時間を変化させることにより制御されている。加熱エレメント１２がオンの時間はパルス幅で表わされ、このパルス幅は前記電子コントローラにより決定される。このコントローラは次の（１）〜（４）によりパルス幅を決定する。（１）この荷電変換セルの温度の検出（熱電対１７による）、（２）荷電変換セルの所望温度（設定値）と検出温度との比較、（３）設定値を最も良く実現するために必要なパルス幅の計算、（４）加熱エレメント１２にパルス幅を供給する。コントローラはこのアルゴリズムを継続的に繰り返して所定の荷電変換セル温度を維持する。パルス幅は次の２つの理由により小さい方が良い。第１に、より小さなパルス幅により、オーバーシュートとアンダーシュートが少なくなりセルの良好な温度コントロールが得られるからである。第２に、より小さなパルス幅により加熱エレメント１２自体の過熱を防止でき、高寿命となるからである。
【００１２】
この荷電変換セルは図４に示すように約６分で４００℃の温度に達する。図４において実線は本発明の荷電変換セルの温度を示し、破線は従来の荷電変換セルの温度を示している。この６分は従来のものの約４５分の加熱時間に較べて際立っていると云える。この加熱時間の低減は加熱パワーを２倍にしたことと、熱量を最小化したことによる。図６は温度一時間（分）のグラフであり、実線はベースにおける温度を示しており、破線は本発明の荷電変換セルの開口における温度を表している。
図４において開口温度は加熱最初の５分間は実際にベース温度より熱くなる。開口温度は約１５分後には最終的定まる。荷電変換セル温度の設定値に対するオーバーシュートはコントローラにおける適当なチューニングパラメータ（tuning parameters）を選択することにより最小化される。これらのパラメータはまた温度維持モードにおいて荷電変換セル温度の設定値近傍における変動の大きさを決定する。
【００１３】
荷電変換セルにより発生する負ビーム電流のレベルを図５に示す。ここでは、実線が本発明の荷電変換セルの負ビーム電流出力を示しており、破線が従来のものの場合を示している。ビーム電流はセル温度に約７分位遅れる。このタイムラグは荷電変換セル温度とチャンバ内のＭｇや他の物質の実際の温度との間の温度ラグにより生ずる。Ｍｇがペレット形状の場合、ペレット間に著しい熱接触抵抗があり、これがタイムラグを生ずる。サイズの大きなペレットを使用すれば、熱伝達における接触点が少なくなるから、チャンバ全体にわたる熱接触抵抗を低減できる。Ｍｇペレットの蒸気への昇華率は温度と共に増加し、云うまでもなくチャンバ内のイオン変換率は加熱時にはセル温度よりも遅れる。セル内でのイオン変換は、最初のパワーアップ後１５分位で平衡に達する。従来のセルにおいては同様な遅れ（lag）が生ずる。
【００１４】
図７は本発明の荷電変換セルにおいてｔ＝３６秒で加熱中の計算熱応力（ＭＰａ）のプロファイルである。図７に示すようにＮＩＳＡ有限要素分析（ＦＥＡ）によれば、加熱中にセル内には約１１８．６ＭＰａ（１７．２  Ｋｐｓｉ）の最大熱応力が予想される。（応力単位ＭＰａはメガ、又はミリオンパスカルの略号である）。この数値はセル材料である１７−４ＰＨステンレスチールの疲労強度６２１ＭＰａ（９０Ｋｐｓｉ）と比較できる。（１７−４ＰＨステンレススチールとは鋼のグレードを意味する。グレードで重要なことは基本組成であり、鋼の特性である。特にこのグレードが選ばれたのは、その高度疲労強度と良好な可鋳性のためである。）
このように、このセルはこれらの操業条件下では理論的に無限の寿命を持つ。熱応力はセル内の熱分布に依存し、該熱分布はそれ自身加熱中及び冷却中に変化する。最大応力は最初のパワーアップ後約３６秒の時点で表れる。この応力は開口の直下の内壁内に位置する。
【００１５】
本発明のセルのＦＥＡによれば、図８に示すようにビームが存在しない時、開口周辺の温度はいくらか低くなると予想される。より低温の外壁は開口位置において、チャンバからのヒートシンクのように機能する。開口の低温は図６により実証されている。定常状態でのベースと開口の間の温度差は、ビーム非存在下で約２６℃である。チャンバの床と開口の間の中間に比較的高温の部分がある。従来のものにおいても同様な高温部分が存在する。本発明の実施形態において、床と天井はチャンバの最も低温な部分であるが、これらのエリアはＭｇの生成を防ぐに十分な温度を維持する。外壁５の開口とフランジ１４間の距離は、サーマルバリアとして機能し、フランジ１４を低温に保つ。フランジ温度は、約６０℃に維持される。
【００１６】
イオンビームの荷電変換率は、チャンバ内のＭｇ蒸気の密度に支配される。そのため図４と図５に示すようにビーム安定性はセル温度の安定性と大きな相関性を有する。最大のビーム安定性に達するために、セル温度は最大ビーム出力に調整するのが良い。そして少しでも温度変動があるとＭｇ蒸気密度が乱される。荷電ターゲットは可能な限り低温で操作し、セル温度を負イオンビーム出力のコントロールに用いることが望ましい。
【００１７】
約７５８ＫＰａ（１１０ｐｓｉ）の冷却エア供給圧力により、セルは２０℃／分の速度で４００℃から冷却される。そしてセルの４００℃から１００℃までの冷却に要する時間は図４に示すように約１７分である。この冷却速度は従来のセルにおける４００℃において９℃／分に比較して際立っていると云える。また４３１℃から１００℃に冷却する時間は約７０分である。ＦＥ分析によれば冷却中の最大熱応力は約１１７ＭＰａ（１７ｋｐｓｉ）と予想される。
【００１８】
上記では図面を参照して本発明の原理を説明し、また具体的な事例を取り上げたが、これらは一般的に説明のために用いられたものであって特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の荷電変換セルの一実施形態を示す一部破断斜視図。
【図２】図１のＡ部分の詳細図。
【図３】本発明の荷電変換セルの一実施形態を有するタンデムアクセラレータの低エネルギ側端部を示す一部破断斜視図。
【図４】従来技術と本発明のセルの温度−時間のグラフ。
【図５】従来技術と本発明のセルのビーム電流−時間のグラフ。
【図６】本発明のセルの開口とベースにおける温度を比較して示す温度−時間のグラフ。
【図７】本発明の荷電変換セルのｔ＝３６秒で加熱中の計算熱応力（ＭＰａ）プロファイルを示す説明図。
【図８】本発明の荷電変換セルの定常状態（゜Ｃ）での計算熱応力（ＭＰａ）プロファイルを示す説明図。
【符号の説明】
１：ハウジング、２：ビーム入口開口、３：ビーム出口開口、４：ターゲットチャンバ、５：外壁、６：ビーム入口開口、７：ビーム出口開口、８：内壁、９：ビーム入口開口、１０：ビーム出口開口、１１：イオンビーム、１２：加熱エレメント、１３：プレートカバー、１４：フランジ、１５：Ｏリング、１６：冷却室気導入口、１７：熱電対、１８：グラファイト環、１９：シールド、１００：荷電変換セル、１０１：イオンビーム、１０２：正イオン源、１０３：分析マグネット装置、１０４：荷電変換チャンバ、１０５：ターボポンプ。
【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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【図７】
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【図８】
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