(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体原料を加熱して蒸気を発生させる複数の蒸気発生炉と、この蒸気発生炉から導入される蒸気をプラズマ化するプラズマ生成部とを備えるイオン源において、前記各蒸気発生炉の少なくとも他の蒸気発生炉に面する部分をそれぞれ覆うものであって冷媒流路を有していない複数の隔壁と、この各隔壁が取り付けられていて当該隔壁を保持する薄板状の保持板と、複数の小突起を有していて当該小突起を介して前記保持板を保持すると共に、複数の保持片を有していて当該保持片を介して前記プラズマ生成部を保持する固定部材とを備えることを特徴とするイオン源。
【請求項２】
前記保持板は、前記隔壁が取り付けられた部分をそれぞれ囲む１以上の溝を有している請求項１記載のイオン源。
【請求項３】
前記保持板は、前記隔壁が取り付けられた部分を囲む複数の穴を有している請求項１記載のイオン源。
【請求項４】
前記保持板は、前記各隔壁ごとに分割されている請求項１記載のイオン源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体原料を加熱して蒸気を発生させる蒸気発生炉を複数個備えるイオン源に関し、より具体的には、運転中の蒸気発生炉から停止中の蒸気発生炉への伝熱を抑制する手段の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体原料を加熱して蒸気化する蒸気発生炉を複数個備えていて、引き出すイオンの切り換えをイオン源の大気開放を伴わずに行ったり、同一の原料を複数の蒸気発生炉に入れておいて原料の補充頻度を低減することのできるイオン源が従来から提案されている。
【０００３】
そのようなイオン源の一例を図８に示す。このイオン源は、ヒータ６によって固体原料（図１中の固体原料２参照）を加熱して蒸気化する複数個（この例では２個）の蒸気発生炉４と、この各蒸気発生炉４からノズル８を経由して導入される蒸気をプラズマ化するプラズマ生成部１０とを備えており、これらはイオン源フランジ１４から支持されている。
【０００４】
プラズマ生成部１０は、例えば棒状のフィラメントを有するフリーマン型のものや、フィラメントと対向する反射電極を有するバーナス型のもの等であるが、特定の方式のものに限定されるものではない。このプラズマ生成部１０から、電界の作用で、イオンビーム１２を引き出すことができる。
【０００５】
一方の蒸気発生炉４には、例えば、リン、ヒ素等の融点の比較的低い固体原料が入れられる。他方の蒸気発生炉４には、例えば、インジウム、フッ化インジウム、アンチモン、アルミニウム、マグネシウム等の、リンやヒ素に比べて融点の高い固体原料が入れられる。
【０００６】
このように複数個の蒸気発生炉４を備えるイオン源では、その内の一つの蒸気発生炉４を選択的に運転して昇温して蒸気を発生させる場合、運転中の蒸気発生炉４からの熱の流入によって、運転していない他の蒸気発生炉４の温度が上昇して、必要としない蒸気が発生してそれがプラズマ生成部１０に導入されることが起こり得る。
【０００７】
これについては、従来の技術では、（ａ）運転していない蒸気発生炉４に冷媒（気体または液体。以下同じ）を循環させて当該蒸気発生炉４を冷却すると共に、（ｂ）図８に示す例のように複数の蒸気発生炉４間に、冷媒を循環させる冷媒流路１８を有する強制冷却構造の隔壁１６を設けることによって、運転中の蒸気発生炉４から他の運転していない蒸気発生炉４への伝熱（熱の移動）を抑制するようにしている。例えば、上記（ａ）に関連する技術は特公平８−２１３５２号公報に、上記（ｂ）に関連する技術は特開昭６１−１７６０４３号公報に、それぞれ記載されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ここで課題とするのは上記（ｂ）の技術である。この従来技術では、真空中（イオン源フランジ１４より内側（図８および図１では右側）は真空中に置かれる）に強制冷却構造の隔壁１６を設ける必要があり、この強制冷却構造の隔壁１６の部分は、図８では図示を大幅に簡素化して書いているけれども、実際は、真空を保持しつつ冷媒を循環させる等の必要があるため、構造が複雑になるという課題がある。
【０００９】
また、上記構造では、運転していて温度の高い蒸気発生炉４の近傍に、強制冷却されて温度の低い隔壁１６が存在することになり、両者の温度差が非常に大きくなって、運転中の蒸気発生炉４から隔壁１６への輻射による伝熱が大きくなって、運転中の蒸気発生炉４の温度が所望の温度になかなか上昇しないという課題もある。
【００１０】
そこでこの発明は、運転中の蒸気発生炉から停止中の蒸気発生炉への伝熱を抑制する隔壁部分の構造を簡素化すると共に、隔壁を設けたことによって運転中の蒸気発生炉の温度が上昇しにくくなる課題をも解決することを主たる目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明のイオン源は、前述したような各蒸気発生炉の少なくとも他の蒸気発生炉に面する部分をそれぞれ覆うものであって冷媒流路を有していない複数の隔壁と、この各隔壁が取り付けられていて当該隔壁を保持する薄板状の保持板と、複数の小突起を有していて当該小突起を介して前記保持板を保持すると共に、複数の保持片を有していて当該保持片を介して前記プラズマ生成部を保持する固定部材とを備えることを特徴としている。
【００１２】
上記構成によれば、（ａ）各隔壁が熱シールドの働きをするので、運転中の蒸気発生炉から他の停止中の蒸気発生炉への輻射による伝熱を抑制することができる。（ｂ）しかも、各隔壁は薄板状の保持板に保持されており、薄板状であるからこの保持板における熱抵抗は大きいので、保持板を経由しての各隔壁間の熱伝導による伝熱を小さく抑制することができる。（ｃ）更に、保持板は固定部材の小突起を介して固定部材に保持されており、小突起であるからこの小突起における熱抵抗は大きいので、固定部材を経由しての保持板のある部分から他の部分への、ひいては当該保持板を介しての隔壁間の熱伝導による伝熱を小さく抑制することができる。
【００１３】
上記（ａ）〜（ｃ）の作用によって、各蒸気発生炉間の熱絶縁効果を高めることができるので、運転中の蒸気発生炉から他の停止中の蒸気発生炉への伝熱を小さく抑制することができる。その結果、運転していない蒸気発生炉の温度上昇を小さく抑えることができる。
【００１４】
しかも、各隔壁は冷媒流路を有しておらず強制冷却構造ではないので、隔壁部分の構造を、従来の強制冷却構造の場合に比べて簡素化することができる。
【００１５】
更に、各隔壁は冷媒流路を有しておらず強制冷却構造ではないので、停止中の蒸気発生炉用の隔壁は、運転中の蒸気発生炉からの伝熱によってある程度は温度が上昇する。その結果、当該隔壁と運転中の蒸気発生炉との間の温度差は、従来の強制冷却構造の隔壁の場合ほどには大きくならず、両者間の輻射による伝熱が抑えられるので、運転中の蒸気発生炉の温度を所望のものに上げるのが容易になる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係るイオン源の一例を示す断面図である。図２は、図１中の固定部材の正面図である。図３は、図１中の保持板の正面図である。なお、図１中の小突起４０の位置は、図に表れるようにするために若干位置を変えて表示しており、正確な位置は図２に示すとおりである。図８に示した従来例と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下においては当該従来例との相違点を主に説明する。
【００１７】
このイオン源は、前述したような蒸気発生炉４を２個備えている場合の例である。各蒸気発生炉４の外部にヒータ６が巻かれており、このヒータ６によって、各蒸気発生炉４内に収納された固体原料２を加熱してその蒸気を発生させることができる。
【００１８】
各蒸気発生炉４は、この例では、支持部２０およびそれに接続されたオーブンフランジ２６によってイオン源フランジ１４から支持されている。各支持部２０の内部には、冷媒２４を循環させて停止中の蒸気発生炉４を冷却する冷媒流路２２がそれぞれ設けられている。冷媒２４は、例えば、圧縮空気等の気体、または冷却水等の液体である。
【００１９】
このイオン源は、更に、上記各蒸気発生炉４をそれぞれ囲む筒状をした複数の（この例では２個の）隔壁３０を備えている。各隔壁３０は、従来の隔壁と違って、冷媒流路は有していない。即ち、強制冷却構造ではない。この隔壁３０は、例えばステンレス鋼板から成る。
【００２０】
各隔壁３０は、少なくとも他の蒸気発生炉４に面する部分をそれぞれ覆うもので良いけれども、例えば半円筒状のようなものでも良いけれども、この例のように円筒状のものにするのが好ましい。そのようにすれば、各蒸気発生炉４からの輻射による熱放散をより広い面積に亘って抑えることができるので、各蒸気発生炉４の温度を上昇させることがより容易になるという効果も得られる。
【００２１】
各隔壁３０の軸方向の長さは、少なくともヒータ６が巻かれている蒸気発生炉４を覆うことのできる長さにすれば良いけれども、図示例のように、もう少し根元側まで、より具体的には冷媒流路２２の先端部の外側付近まで覆うように長くしても良い。そのようにすれば、温度の上昇する蒸気発生炉４をより完全に覆うことができるので、各隔壁３０の上述した（または後述する）（ａ）に示した熱シールドの効果をより高めることができる。
【００２２】
上記各隔壁３０は、薄板状の保持板３２に先端部がそれぞれ取り付けられて保持されている。この保持板３２は、例えばステンレス鋼板から成る。この保持板３２は、それにおける熱抵抗を大きくして熱伝導を小さくするために、隔壁３０を保持するのに支障のない範囲で極力薄くするのが好ましい。例えば、１ｍｍ〜３ｍｍ程度にするのが好ましい。この保持板３２は、後述するボルト４４を通す穴３４を有している。
【００２３】
このイオン源は、更に、複数の（この例では４個の）小突起４０を有していて当該小突起４０を介して保持板３２を保持する固定部材３６を備えている。この固定部材３６は、上記２個の隔壁３０を通す長円形の穴３８を有している。この固定部材３６は、例えばステンレス鋼板から成る。
【００２４】
各小突起４０はねじ穴４２を有しており、そこにボルト４４をねじ込むことによって保持板３２を固定し保持することができる。この各小突起４０は、それにおける熱抵抗を大きくしてそこを経由しての熱伝導を小さく抑えるために、できるだけ小さくして保持板３２との接触面積を極力小さくするのが好ましい。小突起４０の数も、保持板３２を保持するのに支障のない範囲でできるだけ少なくするのが好ましい。この例では４個にしている。
【００２５】
この固定部材３６は、この例では更に、上記プラズマ生成部１０の底部を保持してプラズマ生成部１０を保持固定する複数の（この例では６個の）保持片４６を有している。この各保持片４６は、それにおける熱抵抗を大きくしてそれを経由してプラズマ生成部１０から熱が固定部材３６ひいては保持板３２および隔壁３０へ伝わるのを小さく抑えるために、プラズマ生成部１０を保持するのに支障のない範囲で、プラズマ生成部１０との接触面積および断面積をできるだけ小さく、かつ個数もできるだけ少なくするのが好ましい。
【００２６】
上記固定部材３６は、ひいてはそれに保持された物は、この例では筒状の支持体４８を介して、前記イオン源フランジ１４から支持されている。
【００２７】
このイオン源によれば、次のような作用効果を奏する。
【００２８】
（ａ）各隔壁３０が熱シールドの働きをするので、運転中の蒸気発生炉４から他の停止中の蒸気発生炉４への輻射による伝熱を抑制することができる。
【００２９】
（ｂ）しかも、各隔壁３０は薄板状の保持板３２に保持されており、薄板状であるからこの保持板３２における熱抵抗は大きいので、保持板３２を経由しての各隔壁３０間の熱伝導による伝熱を小さく抑制することができる。
【００３０】
（ｃ）更に、保持板は固定部材３６の小突起４０を介して固定部材３６に保持されており、小突起であるからこの小突起４０における熱抵抗は大きいので、固定部材３６を経由しての保持板３２のある部分から他の部分への、ひいては当該保持板３２を介しての隔壁３０間の熱伝導による伝熱を小さく抑制することができる。
【００３１】
上記（ａ）〜（ｃ）の作用によって、各蒸気発生炉４間の熱絶縁効果を高めることができるので、運転中の蒸気発生炉４から他の停止中の蒸気発生炉４への伝熱を小さく抑制することができる。その結果、運転していない蒸気発生炉４の温度上昇を小さく抑えることができる。その結果、必要としない蒸気が発生してそれがプラズマ生成部１０に導入されることを防止することができる。
【００３２】
また、固定部材３６によってプラズマ生成部１０をも保持する場合は、この例のように複数の保持片４６を介して保持するのが好ましい。これは、プラズマ生成部１０はフィラメント、アーク放電等を用いてプラズマを発生させるために運転中は高温になるけれども、上記のような保持構造を採用すれば、保持片４６での熱抵抗が大きくてプラズマ生成部１０から固定部材３６への、ひいては保持板３２および隔壁３０への熱伝導による伝熱を小さく抑えることができるので、運転していない蒸気発生炉４の温度上昇を小さく抑えることに寄与する。
【００３３】
しかもこのイオン源では、各隔壁３０は冷媒流路を有しておらず強制冷却構造ではないので、隔壁３０の部分の構造を、従来の強制冷却構造の場合に比べて簡素化することができる。
【００３４】
更に、各隔壁３０は冷媒流路を有しておらず強制冷却構造ではないので、停止中の蒸気発生炉４用の隔壁３０は、運転中の蒸気発生炉４からの伝熱によってある程度は温度が上昇する。その結果、当該隔壁３０と運転中の蒸気発生炉４との間の温度差は、従来の強制冷却構造の隔壁の場合ほどには大きくならず、両者間の輻射による伝熱が抑えられるので、運転中の蒸気発生炉４の温度を所望のものに上げるのが容易になる。
【００３５】
温度の一例を示すと、このイオン源では、運転中の蒸気発生炉４を例えば６００℃以上に昇温しても、他の運転していない蒸気発生炉４の温度を１００℃以下に抑えることができる。より具体例を挙げれば、運転中の蒸気発生炉４を例えば６８０℃程度に昇温しても、停止中の蒸気発生炉４の温度を６５℃程度に抑えることができる。従って、例えば、一方の蒸気発生炉４に固体原料２として前述した融点の高いインジウム、フッ化インジウム、アンチモン等の金属を入れ、他の蒸気発生炉４に固体原料２として前述したリン、ヒ素等の融点の低い金属を入れて使用することができる。
【００３６】
なお、保持板３２に、例えば図４および図５に示す例のように、各隔壁３０が取り付けられた部分をそれぞれ囲む１以上の溝５０を設けておいても良い。そのようにすれば、溝５０の存在によって保持板３２の熱抵抗が高まるので、上記（ｂ）に示した、保持板３２を経由しての各隔壁３０間の熱伝導による伝熱をより小さくすることができる。溝５０は、この例のように一つの隔壁３０に対して保持板３２の表面と裏面にそれぞれ一つ以上ずつ設けて、両面の溝５０で迷路構造を形成するようにするのがより好ましい。そのようにすれば、上記伝熱をより小さくすることができる。
【００３７】
保持板３２には、例えば図６に示す例のように、各隔壁３０が取り付けられた部分を囲む複数の（多数の）穴５２を設けておいても良い。そのようにすれば、穴５２の存在によって保持板３２の熱抵抗が高まるので、上記（ｂ）に示した、保持板３２を経由しての各隔壁３０間の熱伝導による伝熱をより小さくすることができる。
【００３８】
保持板３２は、例えば図７に示す例のように、各隔壁３０ごとに分割しておいても良い。そのようにすれば、上記（ｂ）に示した、保持板３２を経由しての各隔壁３０間の熱伝導による伝熱を断つことができる。
【００３９】
なお、蒸気発生炉４およびそれ用の隔壁３０の数は、上記例の２個に限られるものではなく、３個またはそれ以上でも良い。
【００４０】
【発明の効果】
この発明は、上記のとおり構成されているので、次のような効果を奏する。
【００４１】
請求項１記載の発明によれば、上記構造を採用したことによって、各蒸気発生炉間の熱絶縁効果を高めることができるので、運転中の蒸気発生炉から他の停止中の蒸気発生炉への伝熱を小さく抑制することができる。その結果、運転していない蒸気発生炉の温度上昇を小さく抑えることができる。
【００４２】
しかも、各隔壁は冷媒流路を有しておらず強制冷却構造ではないので、隔壁部分の構造を、従来の強制冷却構造の場合に比べて簡素化することができる。
【００４３】
更に、各隔壁は冷媒流路を有しておらず強制冷却構造ではないので、停止中の蒸気発生炉用の隔壁は、運転中の蒸気発生炉からの伝熱によってある程度は温度が上昇する。その結果、当該隔壁と運転中の蒸気発生炉との間の温度差は、従来の強制冷却構造の隔壁の場合ほどには大きくならず、両者間の輻射による伝熱が抑えられるので、運転中の蒸気発生炉の温度を所望のものに上げるのが容易になる。
【００４４】
請求項２記載の発明によれば、溝の存在によって保持板の熱抵抗が高まるので、当該保持板を経由しての各隔壁間の熱伝導による伝熱をより小さくすることができる、という更なる効果を奏する。
【００４５】
請求項３記載の発明によれば、穴の存在によって保持板の熱抵抗が高まるので、当該保持板を経由しての各隔壁間の熱伝導による伝熱をより小さくすることができる、という更なる効果を奏する。
【００４６】
請求項４記載の発明によれば、保持板の分割によって、当該保持板を経由しての各隔壁間の熱伝導による伝熱を断つことができる、という更なる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るイオン源の一例を示す断面図である。
【図２】図１中の固定部材の正面図である。
【図３】図１中の保持板の正面図である。
【図４】保持板の他の例を示す正面図である。
【図５】図４中の線Ａ−Ａに沿う拡大断面図である。
【図６】保持板の更に他の例を示す正面図である。
【図７】保持板の更に他の例を示す正面図である。
【図８】従来のイオン源の一例を簡略化して示す概略図である。
【符号の説明】
２  固体原料
４  蒸気発生炉
１０  プラズマ生成部
３０  隔壁
３２  保持板
３６  固定部材
４０  小突起
５０  溝
５２  穴
【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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