(57)【要約】【課題】ＥＣＲイオン源に適用されるミラー磁場発生装置において、ＥＣＲ空間の体積を増やし、プラズマの生成効率を向上させること。【課題手段】プラズマ生成空間１００における磁場方向の端部側に、ミラー磁場における端部側の磁力線を分散させ分散した磁力線をそれぞれ集束するための複数の磁力集束部材２０，２１が配置される。磁力集束部材２０，２１は、柱状の永久磁石または軟磁性材料、または磁場方向を軸として同心状に巻かれて互いに逆方向に電流を流すことによってミラー磁場の磁力線を引き込む磁場を生じさせる２つ一組のコイルからなる。磁力集束部材２０，２１は、ミラー磁場を形成するために端部側に配置されたヨーク１３，１４に対しプラズマ生成空間１００の内側に配置されており、ヨークによって形成されるミラー磁場における端部側の磁力線を分散させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＥＣＲイオン源に適用され、主磁場発生部材によってプラズマ生成空間内に荷電粒子を閉じ込めるミラー磁場を発生させるためのミラー磁場発生装置であって、
前記プラズマ生成空間における磁場方向の端部側に、前記ミラー磁場における端部側の磁力線を分散させ分散した磁力線をそれぞれ集束するための複数の磁力集束部材が配置されている、
ことを特徴とするミラー磁場発生装置。
【請求項２】
前記磁力集束部材は、前記磁場方向に磁極が形成された柱状の永久磁石からなる、
請求項１記載のミラー磁場発生装置。
【請求項３】
前記磁力集束部材は、柱状の軟磁性材料からなる、
請求項１記載のミラー磁場発生装置。
【請求項４】
前記磁力集束部材は、前記磁場方向を軸として同心状に巻かれて互いに逆方向に電流を流すことによって前記ミラー磁場の磁力線を引き込む磁場を生じさせる２つ一組のコイルからなる、
請求項１記載のミラー磁場発生装置。
【請求項５】
前記磁力集束部材は、複数の同心円の円周方向に沿って互いに間隔を開けて配置されている、
請求項２または３記載のミラー磁場発生装置。
【請求項６】
前記磁力集束部材は、セラミックス材料からなるカバ−部材によって保持されかつ前記プラズマ生成空間から保護されている、
請求項１ないし５のいずれかに記載のミラー磁場発生装置。
【請求項７】
前記磁力集束部材は、前記ミラー磁場を形成するために端部側に配置されたヨークに対し前記プラズマ生成空間の内側に配置されており、前記ヨークによって形成される前記ミラー磁場における端部側の磁力線を分散させる、
請求項１ないし６のいずれかに記載のミラー磁場発生装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載のミラー磁場発生装置と、
前記プラズマ生成空間にガスを供給するガス供給手段と、
前記プラズマ生成空間にマイクロ波を導入するマイクロ波導入手段と、
前記プラズマ生成空間で生成されたイオンを外部を抽出する抽出手段と、
を備えたことを特徴とするＥＣＲイオン源装置。
【請求項９】
ＥＣＲイオン源に適用され、主磁場発生部材によってプラズマ生成空間内に荷電粒子を閉じ込めるミラー磁場を発生させるためのミラー磁場発生方法であって、
前記プラズマ生成空間における磁場方向の端部側に、前記ミラー磁場における端部側の磁力線を分散させ分散した磁力線をそれぞれ集束するための複数の磁力集束部材を配置し、
前記複数の磁力集束部材によって前記プラズマ生成空間内に複数の小さなミラー磁場を形成する、
ことを特徴とするミラー磁場発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高エネルギーのイオンを発生させる電子サイクロトロン共鳴加熱型イオン源（ＥＣＲイオン源）のための、プラズマ閉じ込め用のミラー磁場発生装置、およびそれを用いたＥＣＲイオン源装置に関する。本発明は、例えば、医療用加速器、半導体製造装置、およびリニアコライダーなどの実験用線形加速器などのためのミラー磁場発生装置、およびイオン源装置として用いられる。
【背景技術】
【０００２】
従来において、ＥＣＲイオン源では、静磁場中の希薄ガスにその磁場強度に比例する電子サイクロトロン共鳴周波数の高周波電磁場を印加することによりプラズマ化し、プラズマ中の電子を電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：electron-cyclotron-resonance）により高エネルギーに加速してイオン化の効率を上げることができる。
【０００３】
このとき、共鳴条件を満たす空間（ＥＣＲ空間）の体積を大きくできればイオンの生成量が増えるが、共鳴条件を満たすためには、磁場が一様である必要がある。
【０００４】
一方、ＥＣＲイオン源は、ソレノイドコイルまたは永久磁石などを用いて磁場を形成し、プラズマ中の荷電粒子の磁場と直交する方向の運動を制限して荷電粒子を閉じ込める。磁場と平行な運動に関しては、従来より閉じ込め空間の磁場方向の両端部の磁束線を絞って磁場を上げることにより、いわゆるミラー磁場を形成して荷電粒子をそこで跳ね返すことにより閉じ込めを実現する。
【０００５】
例えば、特許文献１、２には、環状の２つの永久磁石によってミラー磁場を形成する装置が示されている。これらの装置には、それぞれ、磁場の強度を強くしたり調整したりするための補助的な永久磁石なども併用されている。
【０００６】
また、特許文献３には、環状の２つのコイルに同じ方向に電流を流すことによってミラー磁場を形成する装置が示されている。
【０００７】
非特許文献１〜２には、永久磁石により形成したミラー磁場を用いたＥＣＲイオン源装置が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平８−６４３９２号公報
【特許文献２】特開２００６−４９０２０号公報
【特許文献３】特開２００２−３１３７８８号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Y.Iwashita, H.Tongu, Y.Fuwa, and M.Ichikawa " Compact permanent magnet H ＋ ECR ion source with pulse gas valve", REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 87, 02A718(2016)
【非特許文献２】Y.Liu, G.D.Aton, H.Bilheux, J.M.Cole, F.W.Meyer, G.D.Mills, C.A.Reed, C.L.Williams, "INITIANL PERFORMANCE OF A 6GHZ "VOLUME" ECR ION SOURCE",Proceedlings of the 2003 Particle Acceleratou Conference p.p 998-1000
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ミラー磁場発生装置において、ミラー磁場を上げた場合には中央部の空間の磁場の一様性を乱すこととなり、これによってＥＣＲ空間の体積が減少する。そのため、プラズマの閉じ込め効率と生成効率は相反する。ミラー磁場のピークの値はＥＣＲ空間の磁場（ＥＣＲ磁場）の約２倍にするとよいことが報告されている。
【００１１】
従来のミラー磁場発生装置において、プラズマ生成空間の磁場方向の両端に位置するミラー磁場領域では、それぞれ単一の極を持っている。
【００１２】
例えば特許文献１において、プラズマ生成室の両端のミラー磁場領域では、主環状永久磁石による単一の極を持ち、特許文献２では環状永久磁石による単一の極を持ち、特許文献３ではコイルの中心部の空間による単一の極を持つ。
【００１３】
また、非特許文献１において、プラズマ生成室（プラズマチャンバ−）の両端のミラー磁場領域では、磁気材料の壁による単一の極を持つ。非特許文献２では、プラズマ生成室の端面を形成する壁または空間による単一の極を持つ。
【００１４】
このように、従来のミラー磁場発生装置では、いずれもミラー磁場の両端部においては単一の極を持つので、ミラー磁場の全ての磁力線がその単一の極に集束することとなる。そうすると、全ての磁力線が集束するのに要する磁場方向の距離が長くなり、その分だけ磁場の一様な空間つまり共鳴条件を満たす空間（ＥＣＲ空間）の磁場方向の長さが短くなる。
【００１５】
プラズマ生成空間を円柱形状とすると、単一の極の場合には、ミラー磁場の端部で磁場の変化する領域はその円柱の半径程度に大きくなるため、これによってＥＣＲ空間のサイズが大きく制限されることとなっている。
【００１６】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、ＥＣＲイオン源に適用されるミラー磁場発生装置において、ＥＣＲ空間の体積を増やし、プラズマの生成効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に係るミラー磁場発生装置は、ＥＣＲイオン源に適用され、主磁場発生部材によってプラズマ生成空間内に荷電粒子を閉じ込めるミラー磁場を発生させるためのミラー磁場発生装置であって、前記プラズマ生成空間における磁場方向の端部側に、前記ミラー磁場における端部側の磁力線を分散させ分散した磁力線をそれぞれ集束するための複数の磁力集束部材が配置されている。
【００１８】
複数の磁力集束部材によって、ミラー磁場における端部側の磁力線が分散され、分散された磁力線が各磁力集束部材によって集束され、ここに小さなミラー磁場が形成される。１つの磁力集束部材が集束を行う領域が小さくなって磁場の変化する領域が低減するので、集束に要する磁場方向（Ｚ軸方向）の距離が短くなる。各磁力集束部材で発生する局所的磁場のピ−ク値は、分散前と同程度とすることができ、ミラー磁場による荷電粒子の閉じ込め度合いを同程度とすることができる。
【００１９】
好ましくは、前記磁力集束部材は、前記磁場方向に磁極が形成された柱状の永久磁石からなる。また、磁力集束部材は、柱状の軟磁性材料からなってもよい。また、磁力集束部材は、前記磁場方向を軸として同心状に巻かれて互いに逆方向に電流を流すことによって前記ミラー磁場の磁力線を引き込む磁場を生じさせる２つ一組のコイルからなってもよい。
【００２０】
例えば、前記磁力集束部材は、複数の同心円の円周方向に沿って互いに間隔を開けて配置される。
【００２１】
好ましくは、前記磁力集束部材は、前記ミラー磁場を形成するために端部側に配置されたヨークに対し前記プラズマ生成空間の内側に配置されており、前記ヨークによって形成される前記ミラー磁場における端部側の磁力線を分散させる。
【００２２】
本発明に係るＥＣＲイオン源装置は、ミラー磁場発生装置と、前記プラズマ生成空間にガスを供給するガス供給手段と、前記プラズマ生成空間にマイクロ波を導入するマイクロ波導入手段と、前記プラズマ生成空間で生成されたイオンを外部を抽出する抽出手段と、を備える。
【００２３】
本発明に係るミラー磁場形成方法は、ＥＣＲイオン源に適用され、主磁場発生部材によってプラズマ生成空間内に荷電粒子を閉じ込めるミラー磁場を発生させるためのミラー磁場発生方法であって、前記プラズマ生成空間における磁場方向の端部側に、前記ミラー磁場における端部側の磁力線を分散させ分散した磁力線をそれぞれ集束するための複数の磁力集束部材を配置し、前記複数の磁力集束部材によって前記プラズマ生成空間内に複数の小さなミラー磁場を形成する。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によると、ＥＣＲイオン源に適用されるミラー磁場発生装置において、ＥＣＲ空間の体積を増やし、プラズマの生成効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明のミラー磁場発生装置の概略の構成の例を示す図である。
【図２】図１のミラー磁場発生装置のプラズマ生成空間の左右側面を見た図である。
【図３】ミラー磁場の磁束分布の例を示す図である。
【図４】磁力集束部材の形状の例を示す図である。
【図５】本発明のミラー磁場発生装置における概略の構成の他の例を示す図である。
【図６】図５のミラー磁場発生装置の磁力集束部材の構成の例を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態のＥＣＲイオン源装置を示す図である。
【図８】上流側カバ−部材の形状を示す図である。
【図９】下流側カバ−部材の形状を示す図である。
【図１０】一実施形態のＥＣＲイオン源装置における磁束分布の例を示す図である。
【図１１】抽出側の磁力集束部材の近辺の磁束分布の例を示す図である。
【図１２】磁力集束部材としてコイルを用いた場合の磁束分布の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
〔ミラー磁場発生装置の基本的な構成〕
本発明のミラー磁場発生装置の基本的な構成について、図１に示す例によって説明する。
【００２７】
図１にはミラー磁場発生装置３の概略の構成の例が、図２には図１のミラー磁場発生装置３のプラズマ生成空間１００における左右方向の内側面を見た図が、それぞれ示されている。
【００２８】
図１および図２において、ミラー磁場発生装置３は、ＥＣＲイオン源に適用され、主磁場発生部材によってプラズマ生成空間（プラズマチャンバー）１００内に荷電粒子を閉じ込めるミラー磁場を発生させる。
【００２９】
プラズマ生成空間１００における磁場方向の両端部側に、ミラー磁場における端部側の磁力線を分散させ、分散した磁力線をそれぞれ集束するための複数の磁力集束部材２０、２１が配置されている。
【００３０】
すなわち、ミラー磁場発生装置３は、主磁場発生部材である環状の永久磁石１１，１２、ヨーク１３、１４、１５、および複数の磁力集束部材２０、２１などからなる。
【００３１】
永久磁石１１、１２は、それぞれ径方向に着磁され、上流側の永久磁石１１は内径側がＮ、外径側がＳであり、下流側の永久磁石１２はその逆である。
【００３２】
ヨーク１３、１４、１５は、鉄または硅素鋼板などの軟磁性材料からなり、永久磁石１１、１２による磁束分布を調整し、プラズマ生成空間１００にミラー磁場となる数キロガウス程度の強い一様磁場を形成する。ヨーク１３には、ガスおよび２〜８ＧＨｚ程度のマイクロ波を導入するための導入口１３ａが設けられる。ヨーク１４には、生成されたイオンを抽出（導出）するための抽出口１４ａが設けられる。ヨーク１５は、プラズマ生成空間１００への磁場を強めるとともに、外部への磁束漏洩を防止する。
【００３３】
なお、磁力集束部材２０，２１は、ミラー磁場を形成するために端部側に配置されたヨーク１３、１４に対し、プラズマ生成空間１００の内側に配置されており、ヨーク１３、１４によって形成されるミラー磁場における端部側の磁力線を、それぞれ分散させるようになっている。
【００３４】
なお、ここに示す永久磁石１１、１２およびヨーク１３、１４、１５の形状、配置、材質、個数、着磁方向などは一例であり、ＥＣＲ条件（共鳴条件）や装置の仕様などに応じて適宜選定すればよい。例えば、ヨーク１３と磁力集束部材２０とを接触させる、ヨーク１４と磁力集束部材２１とを離間させる、ヨーク１５と永久磁石１１とを離間させる、など、配置を種々変更することが可能である。
〔永久磁石による磁力集束部材〕
磁力集束部材２０、２１は、いずれも、磁場方向に磁極が形成された円柱状の永久磁石２０ａ，２１ａからなる。永久磁石２０ａ，２１ａとして、例えば、鉄を主成分とする合金磁石、フェライト磁石、または、サマリウム−コバルト磁石やネオジム磁石などの希土類磁石など、種々の材料からなる永久磁石を用いることができる。
【００３５】
なお、プラズマからの熱による減磁を防ぐために、これら永久磁石を後述するようにセラミックス材料からなるカバー部材中に埋め込み、直接にプラズマに曝されないようすることが有効である。耐熱の要求が大きい場合には、サマリウム−コバルト磁石の使用が有効である。
【００３６】
複数の永久磁石２０ａ，２１ａは、複数の同心円の円周方向に沿って互いに等間隔で配置されている。
【００３７】
つまり、図２に示すように、複数の永久磁石２０ａ，２１ａは、それぞれ、内側の小円と外側の大円との２つの円の円周に沿ってそれぞれ配置されている。内側の円周よりも外側の円周に配置された個数の方が多く、永久磁石２０ａ，２１ａのそれぞれの間隔はほぼ均等となっている。
【００３８】
また、複数の永久磁石２０ａ，２１ａのそれぞれの先端面、つまり、複数の永久磁石２０ａの先端面または複数の永久磁石２１ａの先端面は、それぞれ同一の平面上にある。つまり、例えば複数の永久磁石２０ａのそれぞれの先端面は、Ｚ軸方向において同じ位置にあり、それらによってＺ軸に垂直な単一の平面を形成する。また、この平面よりもプラズマ生成空間１００の内側には、磁場に影響を及ぼす他の磁性材料またはコイルなどは存在しない。つまり、ヨーク１３，１４などは、永久磁石２０ａ，２１ａの外側にあり、ミラー磁場を最終的に制御するのは磁力集束部材である永久磁石２０ａ，２１ａである。
【００３９】
このように、ミラー磁場発生装置３において、プラズマ生成空間１００の磁場方向の両端に位置するミラー磁場領域では、複数の極を持っている。その極数は、永久磁石２０ａ，２１ａのそれぞれの個数に等しい。
【００４０】
なお、ここでは複数の永久磁石２０ａ，２１ａを、２つの円の円周方向に沿って配置したが、１つまたは３つ以上の円の円周方向に沿って配置してもよい。または、永久磁石２０ａ，２１ａを、放射状またはマトリックス状に配置してもよい。
【００４１】
また、永久磁石２０ａ，２１ａの個数は、例えば１０〜５０個程度とすればよく、プラズマ生成空間１００の端面の面積に応じて変更すればよい。永久磁石２０ａと永久磁石２１ａとについて、それらの個数および配置は異なるものでよいが、同じとしてもよい。
【００４２】
なお、プラズマ生成空間１００を真空にするための排気装置など、プラズマ生成に必要な部材は適宜用いられる。
【００４３】
図３にはミラー磁場発生装置３のプラズマ生成空間１００におけるミラー磁場の磁束分布の例が示されている。
【００４４】
図３（Ａ）に示すように、プラズマ生成空間１００内のミラー磁場は、両端部に配置された複数の永久磁石２０ａ，２１ａによって、ミラー磁場における全体の磁力線（磁束）は分散され、それぞれの永久磁石２０ａ，２１ａに入る磁力線（磁束）の量は個数分の１に減少する。分散された部分の磁力線（磁束）が、それぞれの永久磁石２０ａ，２１ａによって集束される。
【００４５】
それぞれの永久磁石２０ａ，２１ａが磁力線を集束するので、１つの永久磁石２０ａ，２１ａが集束を行う領域が小さくなり、磁場の変化する領域が低減し、したがって集束に要する磁場方向（Ｚ軸方向）の距離が短くなる。そのため、磁場の一様な領域つまりＥＣＲ条件を満たす空間（ＥＣＲ空間）の磁場方向の長さが長くなる。
【００４６】
なお、各永久磁石２０ａ，２１ａで発生する局所的磁場のピ−ク値は、複数の永久磁石２０ａ，２１ａによる分散前と同程度とすることができ、ミラー磁場における荷電粒子の閉じ込め度合いを同程度とすることができる。つまり、各永久磁石２０ａ，２１ａの近辺においてＥＣＲ空間の例えば２倍程度のピ−ク値の磁場を局所的に発生させることによって、ミラー磁場による十分な閉じ込め効果が得られる。
【００４７】
すなわち、ミラー磁場発生装置３においては、両端部に配置した複数の永久磁石２０ａ，２１ａのそれぞれによって、ミラー磁場における端部の極を形成し、各永久磁石２０ａ，２１ａの個数と同じ個数の小さなミラー磁場を形成したものといえる。この意味で、ミラー磁場発生装置３は、マルチミラー磁場方式（マルチミラー方式）であるといえる。
【００４８】
つまり、ミラー磁場発生装置３においては、プラズマ生成空間１００の両端部において各永久磁石２０ａ，２１ａのそれぞれの個数と同じ個数の極を持つこととなる。この点、従来のミラー磁場発生装置が「単一の極を持つ」ことと対比すると、ここで述べるミラー磁場発生装置３は「多数の極を持つ」ものであり、これがミラー磁場発生装置３における大きな特徴である。
【００４９】
さて、図３（Ｂ）に示すように、プラズマ生成空間１００における磁場は、永久磁石２０ａ，２１ａが配置された両端部において強いピークがあり、中央部においてその半分程度のフラットな一様磁場となる。プラズマ生成空間１００におけるミラー領域ＥＭのＺ軸方向の長さをＥＭ１とすると、磁場の一様なＥＣＲ空間ＥＥの長さはＥＥ１であり、ミラー領域ＥＭの長さＥＭ１に比べてＥＣＲ空間ＥＥの長さＥＥ１は大きく減少することなく十分に確保される。
【００５０】
なお、ＥＣＲ空間ＥＥの半径方向の大きさについては、永久磁石２０ａ，２１ａを設けることによっては変わらないので、結局、永久磁石２０ａ，２１ａを設けることによって、限られたプラズマ生成空間１００においてＥＣＲ空間ＥＥの体積を増やすことができる。これにより、プラズマの生成効率を向上させることができる。
【００５１】
したがって、ミラー磁場発生装置３を用いてＥＣＲイオン源装置を構成した場合に、ＥＣＲイオン源装置から抽出されるイオンの量の増大つまり引出電流の増大を効率的に行うことができる。
【００５２】
図４には磁力集束部材の形状の例が示されている。
【００５３】
図４（Ａ）の磁力集束部材２０ａは、円柱状である。その寸法はプラズマ生成空間１００の大きさに大きく依存するが、例えば、プラズマ生成空間１００が円柱状であって直径および長さともに３４ｍｍである場合に、磁力集束部材２０ａは、その直径が２〜５ｍｍ、長さが２〜５ｍｍ程度である。例えば、直径が３ｍｍ、長さが３ｍｍである。これら以外の寸法でもよい。円柱の直径と長さとの比率は、例えば、１対１、１対１．５、１対２、その他の種々比率とすることができる。
【００５４】
図４（Ｂ）の磁力集束部材２０ｂは、六角柱状である。図４（Ｃ）の磁力集束部材２０ｃは、砲弾状である。図４（Ｄ）の磁力集束部材２０ｄは、先端部が円錐状である。
【００５５】
これらの形状の他、これらを組み合わせた形状、その他種々の形状とすることが可能である。
〔軟磁性材料による磁力集束部材〕
上に述べた例では、磁力集束部材２０、２１として永久磁石２０ａ，２１ａを用いた例を説明したが、永久磁石２０ａ，２１ａに代えて軟磁性材料を用いてもよい。
【００５６】
つまり、磁力集束部材２０、２１を、柱状の軟磁性材料を用いて構成してもよい。軟磁性材料は、保持力が小さく透磁率が大きい。例えば、鉄、ケイ素鋼、パーメンジュールなどである。パーメンジュールは、飽和磁化が高く、高磁場発生に有利である。
【００５７】
軟磁性材料を用いた場合には、ミラー磁場の端部の空間の磁束が透磁率の高い軟磁性材料に引き寄せられるので、永久磁石の場合と同様に、ミラー磁場における全体の磁力線（磁束）は分散され、分散された部分の磁力線（磁束）が、それぞれの軟磁性材料からなる磁力集束部材によって集束される。
【００５８】
すなわち、磁力集束部材２０、２１として軟磁性材料を用いた場合も、これらによってプラズマ生成空間１００の両端部に多数の極を形成し、磁力集束部材２０、２１のそれぞれの個数と同じ個数の小さなミラー磁場を形成することができる。
【００５９】
したがって、永久磁石の場合と同様に、１つの磁力集束部材が集束を行う面積が小さくなり、磁場の変化する領域が低減して集束に要するＺ軸方向の距離が短くなる。そのため、磁場の一様な領域つまりＥＣＲ条件を満たす空間（ＥＣＲ空間）の磁場方向の長さが長くなってＥＣＲ空間ＥＥの体積を増やすことができる。
【００６０】
また、軟磁性材料を用いた場合には、永久磁石を用いる場合よりも低コストであり、耐熱性および強度が大きいという利点がある。
〔コイルによる磁力集束部材〕
図５には本発明の他の例のミラー磁場発生装置３Ｂにおける概略の構成が、図６には図５のミラー磁場発生装置３Ｂの磁力集束部材である磁力集束コイル２２、２３の構成の例が、それぞれ示されている。
【００６１】
図５において、ミラー磁場発生装置３Ｂは、ＥＣＲイオン源に適用され、主磁場発生部材によってプラズマ生成空間１００内に荷電粒子を閉じ込めるミラー磁場を発生させる。主磁場発生部材として円筒状のコイル１６が設けられており、コイル１６に電流を流すことによって環状の内部に主磁界が形成される。
【００６２】
プラズマ生成空間１００Ｂにおける磁場方向の端部側に、ミラー磁場における端部側の磁力線を分散させ分散した磁力線をそれぞれ集束するための複数の磁力集束コイル２２、２３が配置されている。
【００６３】
磁力集束コイル２２、２３は、いずれも、磁場方向を軸として同心状に巻かれて互いに逆方向に電流を流すことによってミラー磁場の磁力線を引き込む磁場を生じさせる２つ一組のコイルからなる。
【００６４】
つまり、図６に示すように、複数の磁力集束コイル２２は、それぞれ、同心状に巻かれた２つのコイル２２１，２２２を接近させて同一平面状に配置したものである。内側に配置したコイル２２１と外側に配置したコイル２２２とに、互いに逆方向に電流を流すと、それらの間に矢線で示すような一方向の環状の磁場（磁束）ＢＡ１が生じる。この磁場ＢＡ１が、ミラー磁場の磁力線ＢＡ２を引き込む。コイル２２１，２２２に流す電流の方向を変えると、引き込む磁力線ＢＡ２の方向が変わる。
【００６５】
したがって、磁場の方向に合わせて、磁力集束コイル２２の配置方向または電流の方向を選択すればよい。
【００６６】
図５において、磁力集束コイル２３は、磁力集束コイル２２と同様に２つ一組のコイルからなり、２つのコイルに流す電流の方向を選択することによって、ミラー磁場の磁力線を引き込むための磁場が形成される。
【００６７】
図５において、磁力集束コイル２２、２３は、それぞれの端部側に３個ずつ互いに対向するように配置されている。これにより、プラズマ生成空間１００に三重の円環状の極が形成される。
【００６８】
このように、ミラー磁場発生装置３Ｂにおいては、複数の磁力集束コイル２２、２３によって両端部に円環状の多数の極が形成され、これら円環状の多数の極と中央部に形成される円筒状の一様磁場とによって３重層状のミラー磁場が形成されることとなる。なお、磁力集束コイル２２、２３の個数はこれに限らず、２個または４個以上であってもよい。
【００６９】
なお、磁力集束コイル２２、２３によって生じる磁場のうち、コイル１６が発生する磁場と逆向きの部分、つまり各磁力集束コイル２２、２３の外周面に発生する磁場は、それらの磁場が互いに相殺されるので、実装時には極となることはない。
【００７０】
ミラー磁場発生装置３Ｂにおいても、それぞれの磁力集束コイル２２、２３が環状に磁力線を集束するので、１つの磁力集束コイル２２、２３が集束を行う面積が小さくなり、磁場の変化する領域が低減し、したがって集束に要するＺ軸方向の距離が短くなる。そのため、磁場の一様な領域つまりＥＣＲ空間の磁場方向の長さが長くなり、ＥＣＲ空間ＥＥの体積を増やすことができる。
〔ＥＣＲイオン源装置の実施形態の説明〕
次に、一実施形態のＥＣＲイオン源装置について説明する。
【００７１】
図７には本発明の一実施形態のＥＣＲイオン源装置１が示されている。なお、図７は主要な部材の配置のみを示したものであり、補助的な部材および詳しい構造については図示が省略されている。
【００７２】
図７において、ＥＣＲイオン源装置１は、電子サイクロトロン共鳴によってプラズマチャンバー（プラズマ生成空間）１１０内に荷電粒子を閉じ込めるミラー磁場を発生させるためのミラー磁場発生装置４を内部に備えている。
【００７３】
ＥＣＲイオン源装置１は、取付けフランジ３１、外ヨーク３２、上流側の環状の永久磁石３３、下流側の環状の永久磁石３４、補助ヨーク３５，３６，３７などを備える。
【００７４】
さらに、チャンバーウオール３８の内部のプラズマチャンバー１１０には、複数の磁力集束部材である永久磁石４１、４２、上流側カバ−部材４３、下流側カバ−部材４４、および円筒部材４５などが設けられる。
【００７５】
また、補助ヨーク３６の上流側には、プラズマチャンバー１１０にガスをパルス状に供給するためのバルブ装置５１が設けられる。
【００７６】
補助ヨーク３７の下流側には、生成されたイオンを加速して抽出するための電極５２が設けられる。
【００７７】
取付けフランジ３１は、外ヨーク３２を内装してＥＣＲイオン源装置１の全体を保持する。
【００７８】
永久磁石３３，３４は、それぞれ径方向に着磁され、かつ、上流側の永久磁石３３と下流側の永久磁石３４とは互いに逆方向に着磁されている。
【００７９】
補助ヨーク３５，３６，３７は、軟磁性材料からなり、永久磁石３３、３４による磁束分布を調整し、プラズマチャンバー１１０にミラー磁場となる２０００ガウス程度の強い磁場を形成する。
【００８０】
補助ヨーク３６には、ガスおよびマイクロ波を導入するための導入口３６ａが設けられる。
【００８１】
補助ヨーク３７には、生成されたイオンを抽出（導出）するための抽出口３７ａが設けられる。つまり、補助ヨーク３７は、中央部に抽出口３７ａが設けられた円板状の部材であり、かつ外周に向かうにしたがって厚さが厚くなっている。抽出口３７ａの周辺部分に、断面が略三角形状の環状の突起３７ｂが設けられる。
【００８２】
チャンバーウオール３８は、銅またはアルミニウム合金などの非磁性材料からなり、補助ヨーク３７とともにプラズマチャンバー１１０を外部から電磁遮蔽する。
【００８３】
チャンバーウオール３８の上流側の内端面には、プラズマチャンバー１１０で形成されるミラー磁場における端部側の磁力線を分散させ分散した磁力線をそれぞれ集束するための複数の永久磁石４１が配置されている。永久磁石４１は、上流側カバ−部材４３に設けられた穴に嵌入した状態で、上流側カバ−部材４３がチャンバーウオール３８の表面に押しつけられることによって保持され、かつプラズマチャンバー１１０のプラズマなどから保護されている。
【００８４】
また、補助ヨーク３７の内側面には、同じく複数の永久磁石４２が配置されている。永久磁石４２は、下流側カバ−部材４４に設けられた穴に嵌入した状態で、下流側カバ−部材４４が補助ヨーク３７の表面に押しつけられることによって保持され、かつプラズマチャンバー１１０から保護されている。
【００８５】
複数の永久磁石４１および４２のそれぞれの先端面は、同一の平面上にあり、Ｚ軸に垂直な単一の平面を形成する。これら２つの平面の間には、磁場に影響を及ぼす他の磁性材料は存在しない。つまり、補助ヨーク３６，３７などは永久磁石４１，４２の先端面の外側にあり、ＥＣＲ空間ＥＥにおける一様磁場を最終的に制御するのは磁力集束部材である永久磁石４１，４２である。
【００８６】
なお、永久磁石４１および４２のそれぞれの先端面は、１つの平面を形成するのでなく、放物面または球面などの１つの曲面を構成するように配置してもよい。
【００８７】
上流側カバ−部材４３および下流側カバ−部材４４の外周面の一部には切り欠きが設けてあり、この切り欠きにチャンバーウオール３８の内周面に嵌まり込んだ円筒部材４５の両端部が嵌まり込んでいる。
【００８８】
これら、上流側カバ−部材４３、下流側カバ−部材４４、および円筒部材４５は、アルミナまたは陶磁器などのセラミックス材料からなる。セラミックス材料は、強度、硬度、耐熱性ともに大きく、精密な形状に加工でき、また電気伝導率が極めて低く絶縁性に優れる。なお、これらをガラス材料から製作してもよい。
【００８９】
チャンバーウオール３８の内周面つまりプラズマチャンバー１１０の外周面をセラミックス材料で覆った場合に、ガスまたはプラズマが収容される容積はセラミックス材料の厚み分だけ減少するが、マイクロ波による電子サイクロトロン共鳴の容積としては元のプラズマチャンバー１１０の容積とほぼ同じとし、または下げることができる。
【００９０】
バルブ装置５１は、ピエゾ素子を用いて、例えば２５Ｈｚの周期つまり４０ｍｓの間隔でパルス状に開閉してガスを供給するようになっている。
【００９１】
図８には上流側カバ−部材４３の形状が、図９には下流側カバ−部材４４の形状が、それぞれ示されている。
【００９２】
図８において、上流側カバ−部材４３は、円板状であり、上流側の面に、永久磁石４１を嵌入させるための複数の穴２０１が設けられる。穴２０１の寸法（サイズ）は、嵌入して保持した永久磁石４１が穴の内部でガタつかない程度の大きさおよび公差である。
【００９３】
例えば、永久磁石４１の直径が３ｍｍ、長さが３ｍｍである場合に、穴２０１の寸法はこれと同じであり、公差は例えば中間ばめかすきまばめとしておく。
【００９４】
また、上流側カバ−部材４３には、上流側の面の中心部に貫通しない円形の穴２０２が設けられ、下流側の面の中心部から外れた位置に、穴２０２と一部が重なる位置に貫通しない長円形の４つの穴２０３〜２０６が等間隔で設けられる。これらの穴２０３〜２０６は、穴２０１と干渉しない位置に設けられる。
【００９５】
上流側から供給されるガスは、穴２０２から穴２０３〜２０６を経由してプラズマチャンバー１１０内に入るが、穴２０２に入ってからそのまま直進することなく、４つの穴２０３〜２０６からプラズマチャンバー１１０内に分散して入る。
【００９６】
また、上流側カバ−部材４３には、他の穴と干渉しない位置に、溝２０７が設けられ、この溝２０７に、プラズマチャンバー１１０にマイクロ波を供給するためのマイクロ波導入手段としてのアンテナが設けられる。
【００９７】
図９において、下流側カバ−部材４４は、円板状であり、下流側の面に、永久磁石４２を嵌入させるための複数の穴２１１が設けられる。下流側カバ−部材４４の中心部に、貫通する円形の穴２１２が設けられ、上流側の開口部に面取りがされて径大の開口部２１３となっている。穴２１２に、補助ヨーク３７の突起３７ｂの外周面が嵌入し、下流側カバ−部材４４が保持されるとともに、抽出口３７ａへの経路が滑らかに連続するようになっている。
【００９８】
なお、上流側カバ−部材４３および下流側カバ−部材４４の厚さは、永久磁石４１，４２の長さに対して若干の厚さを加えた程度であり、無用に厚くしない。つまり、それぞれに設けた穴２０１，２１１の底部分の厚さを、機械的強度および耐摩耗性を考慮した程度の厚さとし、永久磁石４１，４２の直径よりも十分に小さく、例えば、０．５〜２ｍｍ程度である。底部分の厚さ薄くして全体の厚さが無用に大きくならないようにすることにより、永久磁石４１，４２により形成されるミラー磁場（サブミラー磁場）によるＥＣＲ空間ＥＥを実際のプラズマ生成のために利用できる。
【００９９】
図１０にはＥＣＲイオン源装置１における磁束分布の例が、図１１には補助ヨーク３７の内側面に配置された永久磁石４２の近辺の磁束分布の例が、図１２には磁力集束部材としてコイルを用いた場合の磁束分布の例が、それぞれ示されている。  
【０１００】
なお、図１０および図１１に示す磁束分布は、図７に示す構造について、コンピュータシミュレーションにより描いたものである。図１２に示す磁束分布は、一様磁場の中に図６で説明した磁力集束コイル２２を置いた状態について、コンピュータシミュレーションにより描いたものである。
【０１０１】
図１０に示すように、プラズマチャンバー１１０内において、ほぼ一様な磁場が形成されている。
【０１０２】
図１１に示すように、補助ヨーク３７の近辺においては、複数の磁力集束部材である永久磁石４２によって磁力線（磁束）が分散され、分散した磁力線がそれぞれ永久磁石４２に集束されている。図から、永久磁石４２に向かう磁場の変化する領域が小さく、集束に要するＺ軸方向の距離が短いことが分かる。
【０１０３】
図１２に示すように、磁力集束部材である磁力集束コイル２２によって磁力線（磁束）が分散され、分散した磁力線がそれぞれ磁力集束コイル２２に集束されている。図から、磁力集束コイル２２に向かう磁場の変化する領域が小さく、集束に要するＺ軸方向の距離が短いことが分かる。
【０１０４】
なお、ＥＣＲイオン源装置１において、バルブ装置５１および導入口３６ａなどがガス供給手段の例であり、導入口３６ａおよび上流側カバ−部材４３に装着されるアンテナなどがマイクロ波導入手段の例である。また、抽出口３７ａおよび電極５２などが抽出手段の例である。
【０１０５】
なお、ガスとして、例えば、水素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガスなど、種々のガスが必要に応じて用いられる。また、マイクロ波導入手段として、アンテナの他に、導波管などを用いることが可能である。
【０１０６】
次に、ＥＣＲイオン源装置１の動作について簡単に説明する。
【０１０７】
図７に示すＥＣＲイオン源装置１において、プラズマチャンバー１１０の容積を５０ｃｃ以下にするという制約により、プラズマチャンバー１１０の直径およびＺ軸方向の長さを３４ｍｍとし、容積を３０ｃｃ程度とする。２０００ガウス程度の一様なＥＣＲ空間ＥＥにおいてＥＣＲ条件を満たすよう、マイクロ波の周波数を６．２ＧＨｚとする。なお、これらの点に関して、上に上げた非特許文献１を参照することができる。
【０１０８】
ミラー磁場が形成されたプラズマチャンバー１１０に、ガスを４０ｍｓの間隔でパルス状に供給する。パルス状の１回のガスに対して、ＥＣＲ空間ＥＥで多量のイオンが生成される。生成されたイオンは、その直後に、電極５２に印加された電圧により抽出されて加速され、次のステップのために出力される。
【０１０９】
このように、ＥＣＲイオン源装置１からイオンは周期的にパルス状に出力される。イオンの出力周期の間に、プラズマチャンバー１１０に残ったガスを、図示しない真空吸引装置によって排出する。プラズマチャンバー１１０の容積が小さいため、残ったガスの排出を短時間で十分に行うことができる。
【０１１０】
上に述べたように、本実施形態のＥＣＲイオン源装置１によると、磁力集束部材の存在によって、ミラー磁場の端部における変化の領域が小さくなり、磁力線の集束に要する磁場方向の距離が短くなって、その分、ＥＣＲ空間ＥＥが大きくなるという効果がある。
【０１１１】
これにより、ＥＣＲ空間ＥＥの体積を増やし、プラズマの生成効率を向上させることができる。
【０１１２】
また、磁力集束部材である永久磁石４１，４２は、上流側カバ−部材４３または下流側カバ−部材４４で保持されかつ保護されているので、永久磁石４１，４２の保持が容易であり、かつプラズマから保護されて十分に劣化の防止が図られる。上流側カバ−部材４３または下流側カバ−部材４４はセラミックス材料からなるので、ＥＣＲ空間ＥＥがこれにより減少することはなく、効率的にＥＣＲ空間ＥＥが形成される。
【０１１３】
なお、上に述べたＥＣＲイオン源装置１では、バルブ装置５１を用いてガスをパルス状に供給したが、ガスを連続的に供給するようにしてもよい。
【０１１４】
上に述べた実施形態のＥＣＲイオン源装置１およびミラー磁場発生装置４では、ミラー磁場を形成するのに永久磁石３３，３４を用いたが、これに代えてコイルを用いてもよい。補助ヨーク３５，３６，３７などの寸法、形状、個数、配置などは、適当なミラー磁場を形成するために種々変更可能である。
【０１１５】
磁力集束部材である永久磁石４１，４２の形状、個数、磁力、配置などは、磁場を一様にするために種々変更することができる。永久磁石４１，４２に代えて、軟磁性材料またはコイルを用いてもよい。
【０１１６】
また、複数の磁力集束部材を基板に固定したものを用いてもよい。例えば、セラミックス材料などからなる円板状の基板の表面に、複数の磁力集束部材を配置して固定しておき、これを磁力集束部材として用いてよい。また例えば、軟磁性材料からなる円板状の基板の表面に、複数の軟磁性材料からなる磁力集束部材を配置して固定し、これを磁力集束部材として用いてよい。また例えば、軟磁性材料からなる円板状の基板の表面に、複数の軟磁性材料からなる磁力集束部材を一体的に形成して配置し、これを磁力集束部材として用いてよい。上流側の磁力集束部材と下流側の磁力集束部材とを異ならせてもよい。
【０１１７】
また、ＥＣＲ空間ＥＥにおける磁場を一様にするために、適当な補助部材を用いてもよい。例えば、補助ヨーク３７の突起３７ｂの部分に、磁場が増強される方向に環状の永久磁石を取り付け、抽出口３７ａの近辺における磁場の低下を防止し、磁場の一様な領域を拡げるようにしてもよい。また、プラズマチャンバー１１０の外周面に六角形状の永久磁石などを配置してもよい。
【０１１８】
また、磁力集束部材の形状や種類について、異なるものを組み合わせてもよい。上に述べた種々の事項および図に示された事項について、適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１１９】
上に述べた実施形態のＥＣＲイオン源装置１では、生成したイオンをＺ軸方向の端部から抽出した。しかし、これに代えて、Ｚ軸方向の中央部からイオンを抽出するようにしてもよい。この場合には、プラズマチャンバー１１０における両端部の構造および形状を左右対称に近い状態とすることも可能である。
【０１２０】
その他、磁力集束部材２０，２１、永久磁石２０ａ，２１ａ、磁力集束コイル２２、２３、永久磁石４１，４２、上流側カバ−部材４３、下流側カバ−部材４４、またはミラー磁場発生装置３、３Ｂ、４とＥＣＲイオン源装置１などの全体の構成、構造、形状、材質、個数、配置、ＥＣＲ条件のための磁場の強度、マイクロ波の周波数などは、本発明の主旨に沿って適宜変更することができる。
【符号の説明】
【０１２１】
１  ＥＣＲイオン源装置
３、３Ｂ、４  ミラー磁場発生装置
１１，１２  永久磁石（主磁場発生部材）
１３、１４  ヨーク
１６  コイル（主磁場発生部材）
２０，２１  磁力集束部材
２０ａ，２１ａ  永久磁石（磁力集束部材）
２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ  磁力集束部材（永久磁石体、軟磁性材料））
２２、２３  磁力集束コイル（磁力集束部材）
３３，３４  永久磁石（主磁場発生部材）
３６  補助ヨーク（ヨーク）
３６ａ  導入口（ガス供給手段、マイクロ波導入手段）
３７  補助ヨーク（ヨーク）
３７ａ  抽出口（抽出手段）
４１，４２  永久磁石（磁力集束部材）
４３  上流側カバ−部材（カバ−部材）
４４  下流側カバ−部材（カバ−部材）
５１  バルブ装置（ガス供給手段）
５２  電極（抽出手段）
１００，１００Ｂ  プラズマ生成空間
１１０  プラズマチャンバー（プラズマ生成空間）
【図１】
2019075236.tif 000003
【図２】
2019075236.tif 000004
【図３】
2019075236.tif 000005
【図４】
2019075236.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2019075236.tif 000009
【図８】
2019075236.tif 000010
【図９】
2019075236.tif 000011
【図１０】
2019075236.tif 000012
【図１１】
2019075236.tif 000013
【図１２】
2019075236.tif 000014