(57)【要約】【課題】本発明の目的は、クリーンな状態が維持され、長寿命化が可能でありながら、イオンの生成量の増加が可能なイオン源を提供することにある。【解決手段】プラズマ室１と、プラズマをプラズマ室１に閉じ込めるためのカスプ磁場発生用磁場発生手段としての永久磁石３と、プラズマを高温電子領域と低温電子領域に分離するためのフィルタ磁場発生用磁場発生手段としての永久磁石４と、永久磁石４より下流側に設けられ、イオンが通過するための開孔部５ｄを有したプラズマ電極５と、を備え、プラズマ電極５に取付けられた開孔部電極７の内部表面にダイヤモンド薄膜８が設けられたことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導入されたガスを放電させることでプラズマを生成し、かつ、電流を流すことで加熱されるフィラメントから放出する熱電子により前記プラズマをイオン化するためのプラズマ室と、
前記プラズマを前記プラズマ室に閉じ込めるために、前記プラズマ室の周囲に設けられたカスプ磁場発生用磁場発生手段と、
前記プラズマを高温電子領域と低温電子領域に分離するために、前記カスプ磁場発生用磁場発生手段より下流側に設けられたフィルタ磁場発生用磁場発生手段と、
前記フィルタ磁場発生用磁場発生手段より下流側に設けられ、イオンが通過するための開孔部を有したプラズマ電極と、を備え、
前記プラズマ電極の開孔部側の表面の少なくとも一部にダイヤモンド薄膜を有したことを特徴とするイオン源。
【請求項２】
前記ダイヤモンド薄膜には、不純物としてリン、ホウ素の少なくともいずれか１つを含有したことを特徴とする請求項1に記載のイオン源。
【請求項３】
前記ダイヤモンド薄膜の表面が水素終端化されていることを特徴とする請求項1または２に記載のイオン源。
【請求項４】
前記プラズマ電極の開孔部の上方に離間して配置され、前記プラズマ室およびプラズマ電極と電気的に絶縁され、かつ、ダイヤモンド薄膜により被覆された多孔を有したチャージ電極が設けられたことを特徴とする請求項1乃至３のいずれか１項に記載のイオン源。
【請求項５】
前記チャージ電極の骨格は、金属製の細線からなり、かつ、多数のメッシュを有した形状であることを特徴とする請求項４に記載のイオン源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば水素ガスを原料としたイオンビームを発生させるイオン源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から大きな強度を有したビームを用いて、原子核・素粒子物理、固体物理、物質科学および構造生物学の分野の研究が行なわれてきた。近年は、ビーム強度を上げることができる点から負イオンが着目されている。
【０００３】
この負イオンの生成方式には、表面生成方式と体積生成方式の２つが一般に知られている。この２方式の中でも、放電プラズマ中の衝突過程で直接に、かつ、多量に負イオンを生成できることから体積生成方式が脚光を浴びている。例えば、水素ガスを原料とした場合、励起水素分子と電子との解離性付着反応を利用して放電プラズマ中で直接、水素負イオンを生成できる技術が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
この非特許文献１によると、水素負イオンの生成には、二段階の過程が存在することが開示されている。すなわち、図４に示すように、各段階の反応は電子のエネルギーにより分かれており、イオン源において、永久磁石１０４による局在したシート状の横磁場（フィルタ磁場）をプラズマ室１０１に設けることで、電子のエネルギー領域を２分化している。これらの領域のうち、反応の第一段階では、フィラメント１０２の存在する領域でアーク放電することによって生じる高エネルギー（数十ｅＶ）の電子とこの高温電子領域（Ｔ＝数十ｅＶ）内の水素分子（Ｈ２）が衝突して励起水素分子（Ｈ２＊（ν））が生成される。そして、反応の第二段階では、イオンを引き出すプラズマ電極１０５の開孔部１０５ｄ付近の空間で、低温電子領域（Ｔ≦１ｅＶ）内の励起水素分子（Ｈ２＊（ν））に低エネルギー（１ｅＶ以下）の電子が付着して水素負イオン（Ｈ―）が生成されると記載されている。
【０００５】
また、同非特許文献１には、水素負イオンの体積生成方式において、水素負イオンの生成量を増加させる手段として、少量のセシウムをプラズマ室１０１に添加する方法が記載されている。このセシウムの添加は、例えば、図４に示すように、セシウム導入ポート１２０を用いればよい。
【０００６】
上述したように、セシウムが用いられるのは、セシウムが金属単体として仕事関数が最も低いためであり、また、例えばプラズマ電極１０５の材質として銅を仮定した場合は、プラズマ電極１０５の表面の仕事関数は、最も低い場合１．６４ｅＶとなる（例えば、非特許文献２参照）。
【０００７】
このように、セシウムを添加することで、プラズマ室１０１の内壁面やプラズマ電極１０５の表面に付着したセシウムから得られる電子を水素原子（Ｈ）や水素正イオン（Ｈ＋）が取り込むことで水素負イオン（Ｈ―）を生成する。また、前記セシウムから得られる電子と水素分子正イオン（Ｈ３＋）とが反応することで励起水素分子（Ｈ２＊（ν））と水素原子（Ｈ）を生成する効果が生ずる。この効果により、水素負イオン（Ｈ―）の生成量が増加すると言われている。上記反応をまとめて下式（１）、（２）、（３）に示す。
Ｈ  ＋  ｅ  →  Ｈ―    ―――  式（１）
Ｈ＋  ＋２ｅ  →  Ｈ―    ―――  式（２）
Ｈ３＋＋  ｅ  →  Ｈ２＊（ν）＋  Ｈ  ―――  式（３）
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】小栗英和著「大強度負水素イオン源の研究」、高エネルギー加速器研究機構のウエブサイト公開（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｋｅｋ．ｊｐ／ｓｏｋｅｎｄａｉ／ｉｎｔｒｏ／ｒｏｎｂｕｎ／２００３０９／０２  ｏｇｕｒｉ  ｈｉｄｅｔｏｍｏ／ｔｈｅｓｉｓ−ｊ．ｐｄｆ）
【非特許文献２】石川順三著「イオン源工学」、アイオニクス株式会社発行、ｐ.ｐ.１６０〜１６３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、セシウムの蒸気により、プラズマ室１０１の内壁面やフィラメント１０２の汚染をもたらすという問題点が発生する。特に、フィラメント１０２の汚染は、熱電子放出の低下やフィラメント１０２の寿命の低下につながるため、問題となる。したがって、定期的なクリーニングをしなければなららいという不便さもある。さらに、セシウムは反応性が高く、大気中で酸化する上に、自然発火の危険性があり、取り扱いが困難であるという問題もある。
【００１０】
本発明の目的は、クリーンな状態が維持され、長寿命化が可能でありながら、イオンの生成量の増加が可能なイオン源を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の発明は、
導入されたガスを放電させることでプラズマを生成し、かつ、電流を流すことで加熱されるフィラメントから放出する熱電子により前記プラズマをイオン化するためのプラズマ室と、
前記プラズマを前記プラズマ室に閉じ込めるために、前記プラズマ室の周囲に設けられたカスプ磁場発生用磁場発生手段と、
前記プラズマを高温電子領域と低温電子領域に分離するために、前記カスプ磁場発生用磁場発生手段より下流側に設けられたフィルタ磁場発生用磁場発生手段と、
前記フィルタ磁場発生用磁場発生手段より下流側に設けられ、イオンが通過するための開孔部を有したプラズマ電極と、を備え、
前記プラズマ電極の開孔部側の表面の少なくとも一部にダイヤモンド薄膜を有したことを特徴とするイオン源である。
【００１２】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ダイヤモンド薄膜には、不純物としてリン、ホウ素の少なくともいずれか１つを含有したことを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項1または２に記載の発明において、前記ダイヤモンド薄膜の表面が水素終端化されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項４に記載の発明は、請求項1乃至３のいずれか１項に記載の発明において、前記プラズマ電極の開孔部の上方に離間して配置され、前記プラズマ室およびプラズマ電極と電気的に絶縁され、かつ、ダイヤモンド薄膜により被覆された多孔を有したチャージ電極が設けられたことを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記チャージ電極の骨格は、金属製の細線からなり、かつ、多数のメッシュを有した形状であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように、本発明は、
導入されたガスを放電させることでプラズマを生成し、かつ、電流を流すことで加熱されるフィラメントから放出する熱電子により前記プラズマをイオン化するためのプラズマ室と、
前記プラズマを前記プラズマ室に閉じ込めるために、前記プラズマ室の周囲に設けられたカスプ磁場発生用磁場発生手段と、
前記プラズマを高温電子領域と低温電子領域に分離するために、前記カスプ磁場発生用磁場発生手段より下流側に設けられたフィルタ磁場発生用磁場発生手段と、
前記フィルタ磁場発生用磁場発生手段より下流側に設けられ、イオンが通過するための開孔部を有したプラズマ電極と、を備え、
前記プラズマ電極の開孔部側の表面の少なくとも一部にダイヤモンド薄膜を有しているため、クリーンな状態が維持され、長寿命化が可能でありながら、イオンの生成量の増加が可能なイオン源を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係るイオン源の第１の実施形態を説明するための概略模式図であって、（ａ）は全体図、（ｂ）は開孔部電極の拡大斜視図である。
【図２】本発明に係るイオン源の第２の実施形態を説明するための概略模式図であって、（ａ）は全体図、（ｂ）はチャージ電極を説明するためのＣ部拡大図である。
【図３】同チャージ電極の拡大斜視図である。
【図４】従来のイオン源を説明するための概略模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。
【００１９】
（第１の実施形態）
図１は本発明に係るイオン源の第１の実施形態を説明するための概略模式図であって、（ａ）は全体図、（ｂ）は開孔部電極の拡大斜視図である。
【００２０】
図１において、１は無酸素銅製のプラズマ室、２はフィラメント、３はプラズマ室１の周囲に設けられたカスプ磁場発生用磁場発生手段としての永久磁石、４は永久磁石３より下流側に設けられたフィルタ磁場発生用磁場発生手段としての永久磁石、５は開孔部５ｄのある側の面から上方に向かって径が大きくなるようなテーパ部とを有した無酸素銅製のプラズマ電極、６はプラズマ室１とプラズマ電極５との間を電気的絶縁するためのテフロン（登録商標）製の絶縁体、７はプラズマ電極５の内側に沿うように取付けられ、かつプラズマ電極５から取り外し可能な無酸素銅製の開孔部電極、７ａは開孔部電極７のフランジ部、７ｂはフランジ部７ａをプラズマ電極５に取付けるための取付孔、７ｃは開孔部電極７のテーパ部、７ｄは開孔部電極７の開孔部、８は開孔部電極７の表面にマイクロ波ＣＶＤにより成膜されたリン、ホウ素等の不純物を含有し、かつ表面が水素終端化されたダイヤモンド薄膜、９はイオンを下流側へ引き出すための引出電極、９ｄは引出電極９の中央に設けられた開孔部、１０はプラズマ電極５と引出電極９との間を電気的絶縁するためのテフロン（登録商標）製の絶縁体である。この構成では、プラズマ電極５に開孔部電極７を取り付けることにより、プラズマ電極５の開孔部５ｄにおいて、プラズマ室１側の表面がダイヤモンド薄膜８で覆われることになる。
【００２１】
次に、本発明に係るイオン源のイオン生成原理の概略について、図１を用いながら説明する。
【００２２】
プラズマ室１内へ導入された水素ガスを放電させることでプラズマを生成し、かつ、電流を流すことで加熱されるフィラメント２から放出する熱電子により前記プラズマを負イオン化する。この時、生成されたプラズマは永久磁石３によりプラズマ室１に閉じ込められる。
【００２３】
また、前記プラズマは永久磁石４から発せられるプラズマ室１の内壁に直交する方向を向いた局在したシート状の横磁場（フィルタ磁場）により、高温電子領域（図１のＡに示す）と低温電子領域（図１のＢに示す）に分離される。
【００２４】
この高温電子領域において、フィラメント２の存在する領域でアーク放電することによって生じる高エネルギー（数十ｅＶ）の電子とこの高温電子領域（Ｔ＝数十ｅＶ）内の水素分子（Ｈ２）が衝突して励起水素分子（Ｈ２＊（ν））が生成される。また、この反応の他、Ｈ２＋、Ｈ３＋といったイオンが壁面で中性化される際に、その一部がＨ２＊（ν）とＨになる場合もあるようである。上記反応をまとめて下式（４）に示す。
Ｈ２＋  ，Ｈ３＋  ＋  ｅ  →  Ｈ２＊（ν），Ｈ  ―――  式（４）
【００２５】
そして、低温電子領域の負水素イオンを引き出すプラズマ電極５の開孔部７ｄ付近の空間において、低エネルギー（１ｅＶ以下）の電子が低温電子領域（Ｔ≦１ｅＶ）内の励起水素分子（Ｈ２＊（ν））に付着して水素負イオン（Ｈ―）が生成される。
【００２６】
さらに、ダイヤモンド薄膜８から放出された電子が低温電子領域（Ｔ≦１ｅＶ）内の励起水素分子（Ｈ２＊（ν））に付着して水素負イオン（Ｈ―）がさらに追加生成する。
【００２７】
上述したダイヤモンド薄膜８は、放電により加速された荷電粒子や加速された水素負イオン（Ｈ―）の衝突を受けるが、スパッタ耐性が高く、ダメージが小さいため、長期間に渡り使用可能である。また、セシウムのような蒸気による汚染がないため、プラズマ室１等を含めたイオン源としてクリーンな状態が維持できる。
【００２８】
また、上述したように、ダイヤモンド薄膜８から供給される電子による水素負イオン（Ｈ―）の増加分が見込めるため、イオンの生成量の増加が可能である。
【００２９】
このように本発明に係るイオン源を採用することにより、クリーンな状態が維持され、長寿命化が可能でありながら、イオンの生成量の増加が可能なイオン源を提供することが可能である。
【００３０】
（第２の実施形態）
図２は本発明に係るイオン源の第２の実施形態を説明するための概略模式図であって、（ａ）は全体図、（ｂ）はチャージ電極を説明するためのＣ部拡大図、図３は同チャージ電極の拡大斜視図である。本実施形態において、図１に示す構成と同一な構成要素については、同一番号を付し詳細な説明を省略し、異なる部分についてのみ詳述する。
【００３１】
図２、図３において、１１はプラズマ電極５の開孔部５ｄの上方に離間して配置されたチャージ電極、１１ａは無酸素銅製の細線からなる接続線、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅは無酸素銅製の細線から形成された多数のメッシュを有した平面状部分であり、４層からなる平面状部分１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅが無酸素銅製の細線により互いに接続され組み上げられ骨格をなし、接続線１１ａに取付けられている。１２はチャージ電極１１の表面にマイクロ波ＣＶＤ等により成膜されたリン、ホウ素等の不純物を含有し、かつ表面が水素終端化されたダイヤモンド薄膜である。また、接続線１１ａはそれぞれ電流導入端子１３に接続されている。そして、チャージ電極１１に、開孔部電極７に対して１Ｖ弱程度の負電圧をチャージ電源１４から印加する。これにより、ダイヤモンド薄膜１２の表面からの電子放出効率が上がり、かつ生成された水素負イオン（Ｈ―）を開孔部７ｄに向かってより効率的に引き出すことができる。
【００３２】
また、チャージ電極１１と開孔部電極７間の電界により、この領域に存在する低エネルギー電子も加速されるが、印加電圧が１Ｖ弱程度のために電子のエネルギーも１ｅＶ前後に収まる。したがって、生成された水素負イオン（Ｈ―）は、高エネルギー電子との衝突では消滅し易い性質を持つが、上記理由のため水素負イオン（Ｈ―）の生成を妨げる要因には成り得ない。このイオン源を稼動する際には、チャージ電源１４の出力電圧を１Ｖ前後で変えながら水素負イオン（Ｈ―）の発生量を測定し、発生量が最大となるように設定すればよい。
【００３３】
また、チャージ電極１１は、図３に示すようなメッシュ構造を有した骨格にすることで、低エネルギー電子や励起水素分子（Ｈ２＊（ν））、生成した水素負イオン（Ｈ―）の消滅を防ぐことができる。これにより、低温電子領域の電子や励起水素分子（Ｈ２＊（ν））、生成した水素負イオン（Ｈ―）がチャージ電極１１と接触して消滅する割合を抑え、かつチャージ電極１１の表面で生成した水素負イオン（Ｈ―）を開孔部９ｄまで引き出しやすくなる。上記の理由から、チャージ電極１１は例えば０．１ｍｍ程度の細線を用い、かつ前記メッシュ構造を有した骨格は、等間隔に空間ができるような格子状の形状が好ましい。
【００３４】
以上のように、本実施形態のような構成（図２、図３参照）とすることで、第１の実施形態で説明したような構成（図１参照）に比べて、イオンの生成量をさらに増加させることが可能となる。
【００３５】
なお、実施形態１、２においては、開孔部電極７の内部表面にダイヤモンドを成膜し易いように、開孔部７ｄのある側の面から上部に沿っていくにつれて径が大きくなるようなテーパ部７ｃを有するような例について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、テーパ部を有さない構成とすることも可能である。また、実施形態１、２においては、ダイヤモンド薄膜８が成膜された開孔部電極７をプラズマ電極５から取り外し可能なように別体で構成する例について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではない。すなわち、プラズマ電極５の開孔部５ｄのある側の面から上方に向かって径が大きくなるようなテーパ部に直接ダイヤモンド薄膜８を設けても構わない。本発明に係るイオン源においては、これらの技術思想を総称して、“プラズマ電極の開孔部側の表面の少なくとも一部にダイヤモンド薄膜を有した”という文言で定義する。なお、プラズマ電極５の開孔部５ｄ側において、少なくとも開孔部５ｄの周囲のプラズマ室１側の表面がダイヤモンド薄膜８で覆われていることが好ましい。
【００３６】
また、本実施形態１、２においては、一旦伝導帯に電子を励起すれば、真空中へ電子が自然に放出されるというダイヤモンドのみが有する「真空準位よりも高い位置に伝導帯がくる“いわゆる負の電子親和力”」の特徴を活かすために、リン、ホウ素等の不純物を含有し、かつ表面が水素終端化されたダイヤモンド薄膜８を用いた例について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではない。但し、リンがドープされたｎ型ダイヤモンドは、特に伝導帯に豊富に電子を有し、かつ仕事関数が１．４ｅＶであり、負の電子親和力を有する場合は、非常に電子を取出し易い状態となるので、本発明に係るイオン源においては、より好ましい。
【００３７】
また、本実施形態１、２においては、プラズマ室１内へ導入されたガスとして水素ガスを用いた例について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではない。
【００３８】
また、本実施形態１、２においては、プラズマ電極５、開孔部電極７やチャージ電極１１に無酸素銅を用いた例について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、プラズマ室１のクリーンな状態が維持され、フィラメント２の長寿命化が可能であり、かつイオンの生成量の増加に支障ない材料であれば構わない。
【００３９】
また、本実施形態１、２においては、ダイヤモンド薄膜の成膜としてマイクロ波ＣＶＤによる例について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、さまざまな成膜方法を採用することが可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１  プラズマ室
２  フィラメント
３，４  永久磁石
５  プラズマ電極
５ｄ  開孔部
６、１０  絶縁体
７  開孔部電極
７ａ  フランジ部
７ｂ  取付孔
７ｃ  テーパ部
７ｄ、９ｄ  開孔部
８、１２  ダイヤモンド薄膜
９  引出電極
１１  チャージ電極
１１ａ  接続線
１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ  多数のメッシュを有した平面状部分
１３  電流導入端子
１４  チャージ電源
【図１】
2011034888.tif 000003
【図２】
2011034888.tif 000004
【図３】
2011034888.tif 000005
【図４】
2011034888.tif 000006