(57)【要約】【課題】プラズマチェンバーを細く設計した場合でも、多価重イオンの生成に優れたＥＣＲイオン源を提供する。【解決手段】プラズマチェンバー１２と、このプラズマチェンバー１２周囲に設けられる永久磁石１６と、高周波電力を供給する高周波電源１８とを備え、プラズマチェンバー１２内に発生するＥＣＲゾーン１１内の電子を高周波電源１８から供給される高周波電力により加速して、中性原子或いはイオンから順次電子を剥ぎ取り、多価のイオンを生成するようにしたＥＣＲイオン源１０において、ＥＣＲゾーン１１の表面とプラズマチェンバー１２壁間を約１０ｍｍ以上開けるような磁場配位を備えた構成とした。【選択図】  図１
2004281202.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマチェンバーと、このプラズマチェンバー周囲に設けられる永久磁石、又は、伝導型ソレノイドコイルと、高周波電力を供給する高周波電源とを備え、前記プラズマチェンバー内に発生するＥＣＲゾーン内の電子を前記高周波電源から供給される高周波電力により加速して、中性原子或いはイオンから順次電子を剥ぎ取り、多価のイオンを生成するようにしたＥＣＲイオン源において、
前記ＥＣＲゾーンの表面とプラズマチェンバー壁間を約１０ｍｍ以上開けるような磁場配位を備えたことを特徴とするＥＣＲイオン源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン加速器の多価イオンソースとなるＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｒｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）イオン源の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＥＣＲイオン源は、１９６０年代に、フランスのグルノーブル研究所のジェラー氏により発明された、電子サイクロトロン共鳴により高温電子を発生させて、中性元素を多価イオン化するイオン源である。
【０００３】
ＥＣＲイオン源は、軸方向に２つのミラー磁場と半径方向に多極磁場を生成して、高温電子閉じ込めを行い、高周波電力を供給して、高強度の多価イオンを発生できる特徴がある。
現在、数多くの大型サイクロトロンのイオン源として利用され始めている。
【０００４】
このＥＣＲイオン源の特徴は、供給する高周波電力の周波数に対応して、ＥＣＲ磁場中において、供給される高周波電場とのサイクロトロン共鳴により加速される高温（高エネルギー）の電子が生成することである。
この高エネルギーの電子が、イオンや原子と衝突して、これらのイオンや原子中の電子を徐々に剥がして行き、多価イオンを生成する。
【０００５】
次に、特許文献１に示すような、常伝導コイルによるＥＣＲイオン源の構成と基本動作について、図３を用いて説明する。
図３は、一般的常伝導コイルによるＥＣＲイオン源の構成を示す断面図である。
【０００６】
図３に示すように、この型のＥＣＲイオン源１００は、主要構成として、プラズマチェンバー１０２、イオン引き出し電極１０４、伝導型ソレノイドコイル１０６、導波管１０７、高周波電源１０８を備えている。
【０００７】
伝導型ソレノイドコイル１０６は、プラズマチェンバー１０２内にミラー磁場を生成する。
電子が、軸方向のミラー磁場と、半径方向の６極磁場によって生成されたＥＣＲ磁場面に囲まれたラクビーボール状のＥＣＲゾーン１０１の中に閉じ込められ、高周波電源１０８から、導波管１０７を経て供給されたマイクロ波で、サイクロトロン共鳴により加速される高温の電子が、そのラクビーボール状のＥＣＲゾーン１０１の中にある中性元素をイオン化し、或いは、イオンを更に多価のイオンにする。
【０００８】
プラズマチェンバー１０２内のイオンは、イオン引き出し電極１０４により引き出され、イオン加速器等の他のデバイス（図示せず）のイオンソースに供される。
【０００９】
伝導型ソレノイドコイル１０６によるＥＣＲイオン源１００の特徴は、電子及びイオンの閉じ込めが良いこと、及び、電子温度が高いことから、Ｘｅ３０やＡｒ＋７等の多価イオンを、高強度で生成することである。
【００１０】
しかし、常伝導型ソレノイドコイル１０６は、１００ｋＷ前後の電力を必要とするため、実用機としては、運転コストが増大するという問題があった。
そこで、ミラー磁場を発生する伝導型ソレノイドコイル１０６の代わりに、特許文献２に示すように、永久磁石を用いる装置が実用化された。
【００１１】
この永久磁石型ＥＣＲイオン源について、図４を用いて説明する。
図４は、永久磁石型ＥＣＲイオン源の構成を示す断面図である。
【００１２】
図４に示すように、この型のＥＣＲイオン源１１０は、主要構成として、プラズマチェンバー１１２、イオン引き出し電極１１４、リング状の永久磁石１１６、導波管１１７、高周波電源１１８を備えている。
ＥＣＲ磁場を発生する伝導型ソレノイドコイルの代わりに、リング状の永久磁石１１６を用いるのが特徴である。
【００１３】
【特許文献１】
特開平５−３０４１１１号公報
【特許文献２】
特開平６−３３３５２３号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のＥＣＲイオン源、特に、永久磁石型ＥＣＲイオン源では、多価イオンを生成するＥＣＲゾーンをつくるためのＥＣＲ磁場に対して、ほぼ同じ磁場強度の逆転磁場も発生するという問題があった。
【００１５】
この問題のために、従来の永久磁石型ＥＣＲイオン源では、大きな高周波電源と大規模な冷却システムが必要となり、そのため小型化、簡易化、低コスト化に悪影響をもたらしていた。
【００１６】
従って、省電力化のため、伝導型ソレノイドコイルを用いた常伝導型ＥＣＲイオン源ではプラズマチェンバーを細くし、永久磁石型ＥＣＲイオン源ではコストダウンのため永久磁石を減らし、かつ、プラズマチェンバーを細く設計されている。
【００１７】
一方、ＥＣＲゾーンの境界には、プラズマのフレアーが存在して、その境界面はそれほど正確には特定できない。
特に、高周波電力を上げたときや、真空度が悪いときはＥＣＲゾーンの境界は不明瞭と成って、プラズマがチェンバー壁に接触する。
【００１８】
従って、上記した通り、プラズマチェンバーを細く設計するため、その結果、プラズマ中の電子、イオンが壁に衝突するために高温の電子が失われるだけでなく、中性ガスが壁より叩き出され、多価イオンが減少してしまい、重イオンの多価イオン源としての性能を発揮しなくなり、性能を下げていた。
【００１９】
本発明は、上記課題（問題点）を解決し、プラズマチェンバーを細く設計した場合でも、多価重イオンの生成に優れたＥＣＲイオン源を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明のＥＣＲイオン源は、請求項１に記載のものでは、プラズマチェンバーと、このプラズマチェンバー周囲に設けられる永久磁石、又は、伝導型ソレノイドコイルと、高周波電力を供給する高周波電源とを備え、前記プラズマチェンバー内に発生するＥＣＲゾーン内の電子を前記高周波電源から供給される高周波電力により加速して、中性原子或いはイオンから順次電子を剥ぎ取り、多価のイオンを生成するようにしたＥＣＲイオン源において、前記ＥＣＲゾーンの表面とプラズマチェンバー壁間を約１０ｍｍ以上開けるような磁場配位を備えた構成とした。
【００２１】
このように構成すると、プラズマチェンバーを細く設計した場合でも、多価重イオンの生成に優れ、小電力型の実用ＥＣＲイオン源とすることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明のＥＣＲイオン源の説明の前に、本発明のＥＣＲイオン源が開発される過程について言及する。
本発明のＥＣＲイオン源が開発される前提として、多価イオン発生の高性能化のためにより高い高周波電源が求められ、宇宙通信技術の進歩から高い高周波源が製造可能になってきた。
【００２３】
そのため、ＥＣＲイオン源の問題点として小型省電力、簡易型を守って実用化するためには、ミラー磁場と６極磁場による合成ＥＣＲ磁場面からプラズマチェンバー壁までの距離を正確な磁場配位により求め、ＥＣＲイオン源を設計製作する必要がある。
この正確な距離を求め、それをもとにＥＣＲイオン源を製作する。
【００２４】
これまで、発明者グループが、常伝導型９台、永久磁石型６台のＥＣＲイオン源の研究経験から、ミラー磁場と６極磁場による合成ＥＣＲ磁場面からチェンバー壁までの距離がある値以上ないと多価イオン源としての性能が劣ることを発見した。
【００２５】
このためには正確なミラー磁場と６極磁場によるＥＣＲゾーン表面とプラズマチェンバー壁間の距離を約１０ｍｍ以上に広げることである。
このことを実証しこの実証結果に基づき半導体用実用機に応用することを実行した。
【００２６】
伝導コイルまたは永久磁石によるミラー磁場及び６極磁場を発生させるが、その磁場を３次元的に正確にシミュレーションして、高周波数に対するＥＣＲゾーンを境界面を正確に予測する。
そしてその位置とプラズマチェンバー壁の間を約１０ｍｍ以上にする様な磁場配位を、何度かの最適計算を行うことで、ＥＣＲイオン源を設計する。
磁場配位の計算は６極磁場もまた、導入導波管の位置形状も考えた３次元プログラムによるシミュレーションで行う。
【００２７】
以上の予備的な説明を経て、本発明のＥＣＲイオン源の一実施の形態について、図１及び図２を用いて説明する。
図１は、本発明のＥＣＲイオン源の基本構成を示す側面図である。
図２は、本発明のＥＣＲイオン源が作り出す磁束の流れを示す上半分縦断側面図、及び、それに対応する磁場の強度を示す特性図である。
【００２８】
先ず、本発明のＥＣＲイオン源の基本構成について、図１を用いて説明する。本発明のＥＣＲイオン源１０は、主要構成として、従来のもの同様に、プラズマチェンバー１２、イオン引き出し電極１４、プラズマチェンバー１２の周囲に配される永久磁石１６、導波管１７、高周波電源１８を備えている。
【００２９】
永久磁石１６は、プラズマチェンバー１２内にＥＣＲ磁場を生成し、ＥＣＲ磁場面に囲まれたラクビーボール状のＥＣＲゾーン１１の中に閉じ込められた電子が、高周波電源１８から、導波管１７を経て供給されたマイクロ波で、サイクロトロン共鳴により加速され、多価イオンを生成し、イオン引き出し電極１４により引き出され、イオン加速器等の他のデバイスのイオンソースに供されるのは従来のものと同様である。
【００３０】
一方、本願発明のＥＣＲイオン源１０は、ＥＣＲ磁場面に囲まれたラクビーボール状のＥＣＲゾーン１１とプラズマチェンバー１２の壁面１２ａとは約１０ｍｍ以上離れた磁場配位を有する特徴を持っている。
【００３１】
図２に示すように、プラズマチェンバー内にはＥＣＲ磁場が形成されているが、このような磁場配位とすることにより、ＥＣＲゾーン１１とプラズマチェンバー１２の壁面１２ａとは約１０ｍｍ以上離隔することができる。
なお、磁場計算は「ポアソン」と呼ばれる磁場計算プログラムを用いている。また、同図では、永久磁石１６が左右非対称な場合で磁場計算を行っている。
【００３２】
図２の磁束の流れ図において、縦軸及び横軸は原点からの距離、同じく磁場強度の特性図において、縦軸は磁場強度を示し単位はガウス、横軸は原点からの距離で、単位はｃｍである。
【００３３】
ＥＣＲゾーンとプラズマチェンバー壁間を約１０ｍｍ以上開けるような磁場配位のＥＣＲイオン源を設計すれば、電流ミラーコイル、永久磁石型ともに、その高周波数における多価発生性能を発揮できる。
【００３４】
以上のように、ＥＣＲゾーンとプラズマチェンバー壁間を約１０ｍｍ以上開けると、プラズマチェンバーを細く設計した場合でも、多価重イオンの生成に優れたＥＣＲイオン源となり、１００ｋＶ〜５００ｋＶの高圧ステーションに１００〜２００ｋＷの電力輸送とその冷却システムが必要で有ったが、数ｋＷの電力で十分となり、産業、医療への真の実用機が完成したことになる。
【００３５】
また削減分の電力１００から２００ｋＷ分の冷却が必要がなくなるため、従来は、１００ｋＶから５００ｋＶの高圧ステーションに１００から２００ｋＷの電力輸送とその冷却システムが必要であったが、数ｋＷの電力で十分となった。その結果、本発明により、産業、医療への真の実用機が完成したことになる。
【００３６】
本発明のＥＣＲイオン源は、上記実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。
上記実施の形態では、永久磁石型ＥＣＲイオン源の例で説明したが、これを伝導コイル型ＥＣＲイオン源に適用できるのは勿論のことである。
【００３７】
【発明の効果】
本発明のＥＣＲイオン源は、上述のように構成したために、以下のような優れた効果を有する。
（１）請求項１に記載したように、プラズマチェンバーと、このプラズマチェンバー周囲に設けられる永久磁石、又は、伝導型ソレノイドコイルと、高周波電力を供給する高周波電源とを備え、プラズマチェンバー内に発生するＥＣＲゾーン内の電子を前記高周波電源から供給される高周波電力により加速して、中性原子或いはイオンから順次電子を剥ぎ取り、多価のイオンを生成するようにしたＥＣＲイオン源において、ＥＣＲゾーンの表面とプラズマチェンバー壁間を約１０ｍｍ以上開けるような磁場配位を備えた構成とすると、プラズマチェンバーを細く設計した場合でも、多価重イオンの生成に優れ、小電力型の実用ＥＣＲイオン源とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＥＣＲイオン源の基本構成を示す側面図である。
【図２】本発明のＥＣＲイオン源が作り出す磁束の流れを示す上半分縦断側面図、及び、それに対応する磁場の強度を示す特性図である。
【図３】一般的常伝導コイルによるＥＣＲイオン源の構成を示す断面図である。
【図４】永久磁石型ＥＣＲイオン源の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１０：ＥＣＲイオン源
１１：ＥＣＲゾーン
１２：プラズマチェンバー
１２ａ：プラズマチェンバー内壁
１６：永久磁石
１８：高周波電源
【図１】
2004281202.tif 000003
【図２】
2004281202.tif 000004
【図３】
2004281202.tif 000005
【図４】
2004281202.tif 000006