(57)【要約】      （修正有）【課題】より低出力の電力で効率的に負イオンビームを発生させる。【解決手段】負イオン源１０は、引き出された負イオンの経路中に設けられ、複数のスリット３６をそれぞれ有する複数の負イオン加速電極２９、３０と、この負イオン加速電極２９、３０間に電界を形成させることにより負イオンを加速させて負イオンビームＹを生成する加速電源とを具備する。そして、共通の負イオン加速電極２９上のスリット３６同士はその長手方向が同様な方向となるように設けられる一方、隣接する負イオン加速電極２９、３０上のスリット３６同士はその長手方向が負イオンの進行方向に沿う線に垂直な面上において互いに所定の角度をなして設けられるように構成した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口部を有する放電容器と、この放電容器の開口部に絶縁体を介して閉塞するように並設され、かつ複数の貫通孔をそれぞれ有する少なくとも２つの負イオン引出電極と、前記放電容器の内部を真空状態にして原料ガスを導入し、放電によって所要の放電プラズマを生成する放電プラズマ生成系と、各負イオン引出電極間に電界を形成させることにより前記放電容器内に生成した放電プラズマから負イオンを各負イオン引出電極の貫通孔を経由させて外部に引き出す引出電源と、引き出された負イオンの経路中に設けられ、複数のスリットをそれぞれ有する複数の負イオン加速電極と、この負イオン加速電極間に電界を形成させることにより負イオンを加速させて負イオンビームを生成する加速電源とを具備し、共通の負イオン加速電極上のスリット同士はその長手方向が同様な方向となるように設けられる一方、隣接する負イオン加速電極上のスリット同士はその長手方向が負イオンの進行方向に沿う線に垂直な面上において互いに所定の角度をなして設けられるように構成したことを特徴とする負イオン源。
【請求項２】
前記放電容器に最近傍の負イオン引出電極の貫通孔内を経由した前記負イオンの進行方向に沿う線のうち所要の線が他の負イオン引出電極の貫通孔内および各負イオン加速電極のスリット内を経由するように構成したことを特徴とする請求項１記載の負イオン源。
【請求項３】
前記負イオン引出電極よりも下流に、複数の貫通孔を有する低エネルギ領域用加速電極を設け、前記負イオン引出電極の貫通孔を経由した負イオンの進行方向に沿う線のうち所要の線が前記低エネルギ領域用加速電極の貫通孔を経由するように前記低エネルギ領域用加速電極の貫通孔を配置することにより、前記低エネルギ領域用加速電極の近傍に所要の電界が形成されるように構成したことを特徴とする請求項１記載の負イオン源。
【請求項４】
前記負イオン引出電極よりも下流に、複数の貫通孔を有する低エネルギ領域用加速電極を設け、前記負イオン引出電極の貫通孔を経由した負イオンの進行方向に沿う線のうち所要の線が前記低エネルギ領域用加速電極の貫通孔を経由するように前記低エネルギ領域用加速電極の貫通孔を配置しかつ前記負イオン加速電極のスリット端部に対応する前記低エネルギ領域用加速電極の貫通孔の位置を前記負イオン加速電極のスリットの長手方向にスライドさせることにより所要の電界が形成されるように構成したことを特徴とする請求項１記載の負イオン源。
【請求項５】
前記負イオン加速電極のスリットの位置が前記負イオンの進行方向に沿う線に対して相対的に所要の向きで所要の距離だけスライドした位置となるように設定することにより、前記負イオンの進行方向を変更可能に構成したことを特徴とする請求項１記載の負イオン源。
【請求項６】
前記負イオン加速電極のスリット端部により形成される電界の歪が負イオンに影響を与えない程度に前記負イオン加速電極のスリットの長さを負イオン通過領域よりも所要の長さだけ相対的に長くなるように設定したことを特徴とする請求項１記載の負イオン源。
【請求項７】
前記負イオン加速電極は、負イオンの進行方向に対して上流側の前記負イオン加速電極のスリットの幅よりも下流における負イオン加速電極のスリットの幅のほうが大きくなるように構成されて排気コンダクタンスを大きく設定したことを特徴とする請求項１記載の負イオン源。
【請求項８】
前記負イオン加速電極は、負イオンの進行方向に対して上流側の前記負イオン加速電極のスリットの幅よりも下流における負イオン加速電極のスリットの幅のほうが大きくかつ上流側の前記負イオン加速電極のスリットの数よりも下流における負イオン加速電極のスリットの数のほうが少なくなるように構成されて排気コンダクタンスを大きく設定したことを特徴とする請求項１記載の負イオン源。
【請求項９】
前記負イオン加速電極の負イオンの進行方向に対して下流側に接地電位にされた正イオン抑制電極を設け、前記負イオン加速電極と正イオン抑制電極との間に負イオンの進行方向に向かう電界を形成したことを特徴とする請求項１記載の負イオン源。
【請求項１０】
前記負イオン加速電極の負イオンの進行方向に対して下流側に接地電位にされた正イオン抑制電極を設け、さらに前記負イオン加速電極と正イオン抑制電極との間に正イオン抑制電源を設けて電荷を付加することにより負イオンの進行方向に向かう電界を形成したことを特徴とする請求項１記載の負イオン源。
【請求項１１】
前記負イオン加速電極の隣接するスリット間の間隙部と、この間隙部に隣接する間隙部とを架橋により接続して補強したことを特徴とする請求項１記載の負イオン源。
【請求項１２】
前記負イオン加速電極には、スリットの長手方向に溝状に形成された位置決め用長孔と内部に筒状あるいはコイル状のカラーを有するボルト用貫通孔とが設けられる一方、前記負イオン加速電極を支持するための電極支持体には位置決め孔とボルト用タップ孔とが設けられ、ボルトを前記カラー内に挿入して前記電極支持体のボルト用タップ孔に締結してもボルトの頭により前記負イオン加速電極が強固に固定されない構造とする一方、位置決めピンを前記電極支持体の位置決め孔と前記負イオン加速電極の位置決め用長孔とに位置決め用長孔の長さ方向に扇動可能に滑合させることにより、前記スリットの長手方向にのみ前記負イオン加速電極が伸縮できるように構成したことを特徴とする請求項１記載の負イオン源。
【請求項１３】
隣接する前記負イオン加速電極上のスリット同士はその長手方向が負イオンの進行方向に沿う線に垂直な面上において互いに直角となるように設けられたことを特徴とする請求項１記載の負イオン源。
【請求項１４】
複数の貫通孔を有し並設された複数の負イオン引出電極で開口部を閉塞した放電容器内を真空状態にして原料ガスを導入するステップと、前記放電容器内に放電プラズマを生成するステップと、前記放電容器内の放電プラズマから負イオンを前記負イオン引出電極間に引出すステップと、引出された負イオンの進行経路上に、複数のスリットを有する複数の負イオン加速電極を、共通の負イオン加速電極上のスリット同士はその長手方向が同様な方向となりかつ隣接する負イオン加速電極上のスリット同士はその長手方向が負イオンの進行方向に沿う線に垂直な面上において互いに所定の角度をなすように並設して配置するステップと、負イオン加速電極間に電界を形成して負イオンを導くことにより負イオンを所要のエネルギに加速して負イオンビームを生成するステップと、負イオン加速電極間に存在する電子および正イオンのうち少なくとも一方を負イオン加速電極の隣接するスリット間の間隙部に衝突させてエネルギ増加を抑制するステップとを有することを特徴とする負イオンビーム発生方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放電プラズマを発生させて、発生した放電プラズマから負イオンを引き出すことにより負イオンビームを発生させる負イオン源および負イオンビーム発生方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
負水素イオンビーム等の負イオンビームは、100keVを超える高エネルギ領域においては中性ビームへの変換効率が良好である。このため、プラズマ加熱を伴い高エネルギの原子ビームを必要とする核融合炉の中性粒子入射装置（ＮＢＩ：Neutral Beam Injector）のイオン源として従来提案される負イオン源が注目されている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
従来の負イオン源は、容器状の放電容器の開口部を、複数の貫通孔を設けた電極で閉塞し、放電容器の内部において磁界を形成するとともに放電容器の内部に水素ガスＨ２とアルカリ金属蒸気とを導入し、かつ放電プラズマを発生させることにより体積生成法と表面生成法とを併用して負水素イオンＨ−を生成するものである。
【０００４】
さらに、放電容器の開口部の電極に貫通孔を設けた板状の電極を複数個並設して設けるとともに各電極間に引出電源と加速電源とを接続して、放電容器内で生成した負水素イオンＨ−を放電容器の開口部における電極の貫通孔から引き出して加速させることにより所定のエネルギの負イオンビームを放出するものである。
【０００５】
しかし、従来の負イオン源においては、負水素イオンＨ−を所定のエネルギに加速するための各電極間において放電容器から漏れ出した原料ガス等の残留ガスと負水素イオンＨ−との反応で副生された正水素イオンＨ２＋が、負水素イオンＨ−とは逆方向に加速されて電極に衝突し、電極材料原子をスパッタしたり、電極表面の付着ガス分子を叩き出すという現象が生じていた。
【０００６】
このため、従来100keVを超える高エネルギの負イオンビームを発生させる負イオン源における電極の構成として図１５に示すものが提案される（例えば非特許文献１あるいは非特許文献２参照）。
【０００７】
従来提案される負イオン源１の電極構成は、負水素イオンＸを加速するために６枚の電極で構成され、そのうち上流側の４枚の電極には多数の貫通孔２が整列配置して設けられて上流側電極３とされ、下流側の２枚の電極には、上流側電極に整列配置して設けられた多数の貫通孔２の各軸を包含するスリット４を長手方向が同方向となるように整列配置して設けられて、下流側電極５とされる。
【０００８】
正水素イオンＨ２＋の発生量を低減させるためには、残留ガスの各電極間における密度を小さくすることが効果的である。残留ガスは、各電極間を経由したのち図示しない真空ポンプにより排気される。
【０００９】
このため、負イオン源１は、下流側電極５に貫通孔２を設ける代わりにスリット４を設け、残留ガスを排気する際のコンダクタンスを大きく設定することにより、各電極間における残留ガスの密度を小さくして正水素イオンＨ２＋の発生を抑制するものである。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００１−０５７１６０号公報（第３頁−第４頁、図１２参照）
【００１１】
【非特許文献１】
堀池  寛他、"負イオンビームを用いた500keV20MW中性粒子入射装置の概念設計"、ＪＡＥＲＩ−Ｍ  ８６−０６４、１９８６年４月発行、第１８頁―第２７頁
【００１２】
【非特許文献２】
Y.Ohara, et al., "BEAM OPTICS OF A MULTI-SINGLE TYPE NEGATIVE ION BEAM ACCELERATOR", Proceedings of the Twelfth Symposium of Ion Sources and Ion-Assisted Technology, '89 Tokyo,1989年発行,第143頁−第146頁
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来提案される負イオン源においては水素ガス等の残留ガスの排気量を大きくすることができるものの、下流側電極５の各スリット４が、その長手方向の向きが同一の方向となるように整列配置されるため、上流側電極３間の領域で生成されて各電極の貫通孔２の軸上を通過する電子は500keV付近まで加速される。
【００１４】
各電極を通過して加速された加速電子は質量が負水素イオンＨ−に比べて軽く、核融合炉でプラズマを閉じ込めるための磁場あるいはその他の磁石の作る磁場の影響で容易に軌道偏向を受けるため、各電極３、５や負イオン源１と図示しない核融合炉の間をつなぐビームラインの壁面に衝突して熱負荷を与える。さらに、ビームラインや電極３、５は熱負荷に伴って溶融する恐れがあり、負イオン源１ないし中性粒子入射装置の信頼性の低下に繋がる。
【００１５】
また、このような加速電子は軌道偏向により核融合炉のプラズマ内に入射することが殆どなく、プラズマ加熱エネルギとして用いられることはない。このため引出電源あるいは加速電源から供給される負イオン引出電力あるいはビーム加速電力のうち、加速電子に与えられる電力は損失となり負イオン源１ないし中性粒子入射装置の稼働効率の低下に繋がる。
【００１６】
本発明はかかる従来の事情に対処するためになされたものであり、正イオンや電子の高エネルギ化を抑制することにより、より低出力の電力で効率的に負イオンビームを発生させることが可能な負イオン源および負イオンビーム発生方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る負イオン源は、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、開口部を有する放電容器と、この放電容器の開口部に絶縁体を介して閉塞するように並設され、かつ複数の貫通孔をそれぞれ有する少なくとも２つの負イオン引出電極と、前記放電容器の内部を真空状態にして原料ガスを導入し、放電によって所要の放電プラズマを生成する放電プラズマ生成系と、各負イオン引出電極間に電界を形成させることにより前記放電容器内に生成した放電プラズマから負イオンを各負イオン引出電極の貫通孔を経由させて外部に引き出す引出電源と、引き出された負イオンの経路中に設けられ、複数のスリットをそれぞれ有する複数の負イオン加速電極と、この負イオン加速電極間に電界を形成させることにより負イオンを加速させて負イオンビームを生成する加速電源とを具備し、共通の負イオン加速電極上のスリット同士はその長手方向が同様な方向となるように設けられる一方、隣接する負イオン加速電極上のスリット同士はその長手方向が負イオンの進行方向に沿う線に垂直な面上において互いに所定の角度をなして設けられるように構成したことを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明に係る負イオンビーム発生方法は、上述の目的を達成するために、請求項１４に記載したように、複数の貫通孔を有し並設された複数の負イオン引出電極で開口部を閉塞した放電容器内を真空状態にして原料ガスを導入するステップと、前記放電容器内に放電プラズマを生成するステップと、前記放電容器内の放電プラズマから負イオンを前記負イオン引出電極間に引出すステップと、引出された負イオンの進行経路上に、複数のスリットを有する複数の負イオン加速電極を、共通の負イオン加速電極上のスリット同士はその長手方向が同様な方向となりかつ隣接する負イオン加速電極上のスリット同士はその長手方向が負イオンの進行方向に沿う線に垂直な面上において互いに所定の角度をなすように並設して配置するステップと、負イオン加速電極間に電界を形成して負イオンを導くことにより負イオンを所要のエネルギに加速して負イオンビームを生成するステップと、負イオン加速電極間に存在する電子および正イオンのうち少なくとも一方を負イオン加速電極の隣接するスリット間の間隙部に衝突させてエネルギ増加を抑制するステップとを有することを特徴とする方法である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る負イオン源および負イオンビーム発生方法の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
【００２０】
図１は本発明に係る負イオン源の第１の実施形態を示す断面図である。
【００２１】
負イオン源１０は開口部を有する箱型の放電容器１１を具備する。そして放電容器１１の四方の側壁面１２の開口部側に絶縁材１３を介して板状の第１の電極１４が設けられることにより放電容器１１が閉塞される構成である。
【００２２】
放電容器１１の閉口側壁面１５には、放電容器１１の内外を貫通するガス導入口１６とアルカリ金属蒸気導入口１７とが設けられる。そして、放電容器１１外部にはガス源１８が設けられ、このガス源１８に接続されたガス配管１９は放電容器１１のガス導入口１６と接続される。さらに、放電容器１１外部にはアルカリ金属オーブン２０が設けられ、このアルカリ金属オーブン２０に接続されたアルカリ金属蒸気配管２１は放電容器１１のアルカリ金属蒸気導入口１７と接続される。
【００２３】
なお、ガス導入口１６とアルカリ金属蒸気導入口１７とは放電容器１１の閉口側壁面１５に限らず、放電容器１１の四方の側壁面１２の任意の部位に任意数箇所設けてもよい。
【００２４】
そして、ガス源１８からは原料ガスの一例である水素ガスがガス配管１９およびガス導入口１６を介して放電容器１１の内部に導入されるように構成される一方、アルカリ金属オーブン２０は、アルカリ金属を加熱し蒸気化することによりアルカリ金属蒸気を生成し、この生成されたアルカリ金属蒸気がアルカリ金属蒸気配管２１およびアルカリ金属蒸気導入口１７を介して放電容器１１の内部に導入されるように構成される。
【００２５】
また、放電容器１１の閉口側壁面１５の外側には複数の棒状の磁石２２が設けられる。このとき各磁石２２の極性は閉口側壁面１５に垂直な向きで、かつ隣接する磁石２２の極性は互いに異なる向きとされる。同様に、放電容器１１の四方の側壁面１２には、複数の棒状の磁石２２が側壁面１２に設けられ、各磁石２２の極性は側壁面１２に垂直な向きで、かつ隣接する磁石２２は互いに極性が異なる向きとされる。このため、閉口側壁面１５と側壁面１２において隣接する各磁石２２間に磁力線X１が形成される。
【００２６】
さらに、放電容器１１の側壁面１２における第１の電極１４の近傍には、フィルタ磁石２３が設けられる。フィルタ磁石２３は側壁面１２に設けられた他の磁石２２よりも残留磁束密度が大きく、かつ放電容器１１内部を挟んで向かい合う側壁面１２に対をなして１組ないし複数組設けられる。そして、各フィルタ磁石２３の極性は全て側壁面１２に垂直で互いに同じ向きとされる。
【００２７】
このため、一方の側壁面１２のフィルタ磁石２３から対向する他方の側壁面１２のフィルタ磁石２３に向かう磁力線が形成され、形成されたフィルタ磁石２３の磁力線により磁気フィルタＸ２が構成される。
【００２８】
この結果、放電容器１１内部は磁気フィルタＸ２により区画されて閉口側壁面１５側の第一室２４と第１の電極１４側の第二室２５とが形成される。
【００２９】
さらに、放電容器１１内部の第一室２４には、単一あるいは複数のフィラメント２６が放電容器１１の側壁面１２および閉口側壁面１５と絶縁された状態で設けられる。そして、放電容器１１の側壁面１２および閉口側壁面１５を陽極としてフィラメント２６が陰極を形成する。このため、フィラメント２６と放電容器１１の側壁面１２および閉口側壁面１５との間に電圧を印加することにより放電容器１１内を放電することができる。
【００３０】
一方、放電容器１１の開口部を閉塞する第１の電極１４には、放電容器１１の内外を貫通する複数の貫通孔２７が設けられる。
【００３１】
また、第１の電極１４の放電容器１１の反対側には板状の第２の電極２８が絶縁材１３を介して所定の間隔をおいて並設され、さらに第２の電極２８の放電容器１１の反対側には板状の第３の電極２９が、第３の電極２９の放電容器１１の反対側には板状の第４の電極３０が絶縁材１３を介して所定の間隔をおいて並設される。
【００３２】
そして、第１の電極１４と第２の電極２８とが負イオン引出電極としての機能を果たし、第３の電極２９と第４の電極３０とが負イオン加速電極としての機能を果たすように構成される。
【００３３】
図２は、図１に示す第１から第４までの電極１４、２８、２９、３０の詳細な構成を示す断面図であり、図３は図１に示す第２の電極２８から第４の電極３０までの形状を示す斜方向からの断面図である。
【００３４】
第２の電極２８には複数の貫通孔３１が第１の電極１４の貫通孔２７に対応する位置に設けられる。第２の電極２８の貫通孔３１は、第１の電極１４から第３の電極２９に向かう向きで孔径が大きくなるようにテーパ加工され、更に第２の電極２８の貫通孔３１の第３の電極２９側端部の孔径がテーパ加工部の孔径よりも小さい径とされて電子トラップ３２が形成される。
【００３５】
また、第２の電極２８の内部には複数の棒状の磁石３３が内蔵されて設けられる。これら磁石３３の極性は貫通孔３１の軸方向であり、かつ貫通孔３１を挟んで隣接する磁石３３の極性は互いに逆向きとされる。このため、貫通孔３１を挟んで隣接する一方の磁石３３から他方の磁石３３に向かう磁力線Ｘ３が形成される。
【００３６】
さらに、第２の電極２８の内部には冷却用の冷却水が流れる水冷パイプ３４が内蔵されて設けられる。
【００３７】
また、第３の電極２９および第４の電極３０にはそれぞれ複数のスリット３５、３６が設けられる。このとき第３の電極２９の各スリット３５は規則的に同様な方向となるように配置され例えば互いに平行に設けられる。但し、第３の電極２９の各スリット３５は互いに所要の角度をなしていてもよく、さらに各スリット３５は直線状でなく曲線状、断続的な線分状、線分同士が所要の角度で連続した線状に形成されてもよい。
【００３８】
同様に第４の電極３０の各スリット３６も規則的に同様な向きで配置され例えば互いに平行に設けられる。
【００３９】
一方、第３の電極２９のスリット３５の長手方向Ｘ４と第４の電極３０のスリット３６の長手方向Ｘ５とは互いに所定の角度αをなす向き例えば直角に設けられる。
【００４０】
さらに、第２の電極２８の貫通孔３１の各軸が第３および第４の電極２９、３０の各スリット３５、３６内を通るように構成される。
【００４１】
そして、第１の電極１４と第２の電極２８の間には引出電源３７が接続される。さらに第２の電極２８と第３の電極２９の間および第３の電極２９と第４の電極３０の間には加速電源３８が接続される。この引出電源３７および加速電源３８により放電容器１１側の電極１４、２８、２９の電位が放電容器１１側から離れた側の電極２８、２９、３０の電位に対して負となるように各電極１４、２８、２９、３０間に電位が印加され、各電極１４、２８、２９、３０間に一様な方向に電界が形成される。
【００４２】
また、第３の電極２９と第４の電極３０との間には真空ポンプ３９が設けられ、放電容器１１内および各電極１４、２８、２９、３０間の領域に残留するガスを負イオン源１０の外部に排気できるように構成される。
【００４３】
ただし、真空ポンプ３９を設ける位置は任意であり、放電容器１１内および各電極１４、２８、２９、３０間の領域を真空状態にできるように構成されていればよい。
【００４４】
そして、放電容器１１内を真空状態にする真空ポンプ３９、放電容器１１内に原料ガスを導入するガス源１８およびガス配管１９、放電容器１１内に放電する放電フィラメント２６により放電容器１１内に放電プラズマを生成させるための放電プラズマ生成系が形成される。
【００４５】
従って、負イオン源１０は、少なくとも放電容器１１に放電プラズマ生成系、負イオン引出電極、負イオン加速電極、引出電源３７、加速電源３８とを備えていれば、その他の構成は必要に応じて設けられればよい。さらに、このとき引出電源３７は加速電源３８を兼ねてもよい。
【００４６】
次に、負イオン源１０の作用について説明する。
【００４７】
まず、真空ポンプ３９によって放電容器１１内の気体が排気され真空状態にされる。そして、アルカリ金属がアルカリ金属オーブン２０で加熱されて蒸気化し、アルカリ金属蒸気が生成される。このアルカリ金属蒸気は、アルカリ金属蒸気配管２１およびアルカリ金属蒸気導入口１７を介して放電容器１１の内部に導入される。
【００４８】
一方、ガス源１８からは例えば水素ガスがガス配管１９およびガス導入口１６を介して放電容器１１の内部に導入される。
【００４９】
さらに、図示しないフィラメント電源によってフィラメント２６に通電して加熱するとともに、図示しないアーク電源によってフィラメント２６と放電容器１１の側壁面１２および閉口側壁面１５との間に直流アーク放電を発生させる。このときフィラメント２６が陰極、放電容器１１の側壁面１２および閉口側壁面１５が陽極とされる。
【００５０】
この結果、放電容器１１内には、水素ガスと直流アーク放電とにより放電プラズマが生成される。このとき生成された放電プラズマは磁石２２により形成される磁場の作用で放電容器１１内に閉じ込められる。
【００５１】
そして、放電容器１１内においていわゆる体積生成法によって負イオンの一例である負水素イオンＨ−が生成される。体積生成法によれば、負水素イオンＨ−の生成は２段階の原子反応からなるとされる。
【００５２】
すなわち式（１）に示すように放電容器１１内の水素ガスＨ２と数１０〜１００eVの高温電子ｅ−(f)とが衝突して反応することにより高振動レベルの振動励起水素ガスＨ２＊と電子ｅ−とが生成される。
【００５３】
【化１】
Ｈ２  ＋ｅ−(f)→Ｈ２＊＋ｅ−    ……（１）
【００５４】
続いて式（２）に示すように高振動レベルの振動励起水素ガスＨ２＊と１eV以下の低温電子ｅ−(s)が解離的に付着することによって負水素イオンＨ−が生成される。
【００５５】
【化２】
Ｈ２＊＋ｅ−(s)→Ｈ− ＋Ｈ    ……（２）
【００５６】
放電容器１１内の第一室２４に生成された放電プラズマは第二室２５に向かって拡散する。ここで放電プラズマが磁気フィルタＸ２を横切って通過する際、放電プラズマ中の高温電子ｅ−(f)は磁界中のラーマ半径が小さいため、磁気フィルタＸ２に捕捉される。そして、放電プラズマ中の高温電子ｅ−(f)は、放電容器１１の第一室２４に存在する水素ガスＨ２やイオン等の粒子と衝突してエネルギを失って低温電子ｅ−(s)となった後に、磁気フィルタＸ２を通過して放電容器１１の第二室２５に到達する。
【００５７】
このため、放電容器１１内の第一室２４には、水素ガスＨ２の励起に適した電子エネルギ分布を持つ高温プラズマが生成される一方、第二室２５には振動励起水素ガスＨ２＊と解離性付着反応を起こすために適した電子エネルギ分布を持つ低温プラズマが生成される。
【００５８】
一方、磁界中でのラーマ半径が磁気フィルタＸ２の厚みに対して大きい水素イオン等の粒子は磁気フィルタＸ２を通り抜けて第二室２５に移動することができる。
【００５９】
この結果、放電容器１１内の第一室２４において式（１）に示す反応が起こり水素ガスＨ２と高温電子ｅ−(f)とが衝突して振動励起水素ガスＨ２＊が生成される。さらに、第一室２４において生成された励起水素ガスＨ２＊は磁気フィルタＸ２を越えて第二室２５に拡散する。そして、第二室２５に拡散した励起水素ガスＨ２＊が低温電子ｅ−(s)と衝突して式（２）に示す解離性付着反応を起こすことにより、負水素イオンＨ−が生成される。
【００６０】
また、大電流の負イオンビームＹを構成する負水素イオンＨ−を発生させるため、放電容器１１内では体積生成法による式（１）および（２）の反応に加えて、いわゆる表面生成法と呼ばれる方法が併用される。
【００６１】
すなわち、放電容器１１内に導入されたアルカリ金属蒸気は放電容器１１内を拡散して第１の電極１４の放電容器１１内側の表面に付着する。この結果、付着したアルカリ金属蒸気の作用により第１の電極１４における放電容器１１内側の表面の仕事関数は、下げられるといわれている。
【００６２】
そして、放電容器１１内の放電プラズマ中で生成された正水素イオンＨ＋や中性水素原子Ｈ等の粒子が拡散し、仕事関数が下げられた第１の電極１４と衝突して第１の電極１４から電子を受け取ることにより負水素イオンＨ−が生成される。
【００６３】
このように体積生成法と表面生成法との併用により放電容器１１内の第二室２５に生成された負水素イオンＨ−は、負水素イオンＨ−と同じ荷電極性である電子と共に、引出電源３７により形成された電界の作用により第１の電極１４の貫通孔２７から引き出されて第２の電極２８側に導かれる。第１の電極１４の貫通孔２７から引き出された負水素イオンＨ−と電子とは、引出電源３７により形成された電界の作用により第２の電極２８に向かって加速される。
【００６４】
一方、放電容器１１内において水素ガスＨ２は拡散するが、拡散した水素ガスＨ２の一部は第１の電極１４の貫通孔２７を通過して第１の電極１４と第２の電極２８との間の領域に流入する。第１の電極１４と第２の電極２８との間の領域に流入した水素ガスＨ２は負水素イオンＨ−との間で式（３）に示す反応を起こすことが知られる。
【００６５】
【化３】
Ｈ−＋Ｈ２ → Ｈ＋ｅ− ＋Ｈ２    ……（３）
【００６６】
すなわち、第１の電極１４と第２の電極２８との間において水素ガスＨ２と負水素イオンＨ−とが反応することにより負水素イオンＨ−から電子ｅ−が離脱し、中性水素原子Ｈおよび電子ｅ−が生成される。
【００６７】
さらに、式（３）の反応に加えて第１の電極１４と第２の電極２８との間の領域に流入した水素ガスＨ２と負水素イオンＨ−とが衝突することにより例えば式（４）に示す反応も起こり得る。
【００６８】
【化４】
Ｈ−＋Ｈ２  → Ｈ−＋Ｈ２＋＋ｅ−  ……（４）
【００６９】
すなわち、第１の電極１４と第２の電極２８との間において水素ガスＨ２と負水素イオンＨ−とが衝突して水素ガスＨ２が電離され、正水素イオンＨ２＋とともに電子ｅ−が生成される。
【００７０】
さらに、第１の電極１４あるいは第２の電極２８の表面からは粒子の衝突や熱等の要因により二次電子が放出される。
【００７１】
式（３）および式（４）の反応により生成された電子ｅ−や第１の電極１４あるいは第２の電極２８の表面から放出された二次電子ｅ−は、第１の電極１４の貫通孔２７から引き出された負水素イオンＨ−と電子ｅ−とともに引出電源３７により形成された電界の作用により第２の電極２８に向かって加速される。
【００７２】
ここで、第２の電極２８に内蔵された複数の磁石３３の作用により、第２の電極２８の貫通孔３１を挟んで隣接する一方の磁石３３から第１の電極１４と第２の電極２８との間の領域あるいは第２の電極２８の貫通孔３１内を経由して第２の電極２８の他方の磁石３３に向かう磁力線Ｘ３が形成される。
【００７３】
このため、第２の電極２８に内蔵された磁石３３により形成される磁力線Ｘ３の作用により、第１の電極１４の貫通孔２７に対応して設けられた第２の電極２８の貫通孔３１を通過する負水素イオンＨ−および電子のうち電子成分の量が低減され、負水素イオンＨ−が選別される。
【００７４】
すなわち、負水素イオンＨ−および電子は、第２の電極２８に内蔵された磁石３３により形成される磁力線Ｘ３の作用により軌道偏向される。しかしながら、負水素イオンＨ−のラーマ半径が磁界に対して大きいため負水素イオンＨ−の軌道偏向量は第２の電極２８の貫通孔３１内部への移動量に対して十分に小さい。このため、負水素イオンＨ−は、第２の電極２８の貫通孔３１内部へ移動して通過することができる。
【００７５】
一方、ラーマ半径が磁界に対して小さい電子は、第２の電極２８の貫通孔３１内部への移動および通過に影響を与える程十分大きく軌道偏向するため、第２の電極２８の貫通孔３１内部への電子の量は低減される。
【００７６】
さらに、第２の電極２８の貫通孔３１内において軌道偏向した電子は第２の電極２８の電子トラップ３２に衝突し、第２の電極２８の貫通孔３１を通過しないように抑制される。
【００７７】
このとき、第２の電極２８には軌道偏向した電子およびその他の荷電粒子の衝突による影響で熱が発生するが、第２の電極２８内部の水冷パイプ３４を流れる冷却水の作用により発生した熱は除去される。
【００７８】
一方、第２の電極２８の貫通孔３１内部へ移動した負水素イオンＨ−は、第２の電極２８の貫通孔３１を通過して第２の電極２８と第３の電極２９との間に導かれる。さらに、軌道偏向量が小さく第２の電極２８の貫通孔３１を通過した電子も第２の電極２８と第３の電極２９との間に導かれる。
【００７９】
また、第１の電極１４と第２の電極２８との間の水素ガスＨ２は、さらに第２の電極２８の貫通孔３１を通過して第２の電極２８と第３の電極２９との間の領域に流入する。このため、第２の電極２８と第３の電極２９との間との間においても、負水素イオンＨ−と水素ガスＨ２との間で、式（３）および式（４）等に示す反応が起こって電子および正水素イオンＨ２＋が生成される。
【００８０】
同様に第３の電極２９と第４の電極３０との間においても式（３）および式（４）等に示す反応が起こって電子および正水素イオンＨ２＋が生成される。
【００８１】
また、第３の電極２９あるいは第４の電極３０の表面からは粒子の衝突や熱等の要因により二次電子が放出される。
【００８２】
さらに、式（３）および式（４）等に示す反応は、各電極１４、２８、２９、３０間のみならず、負水素イオンＨ−が第４の電極３０を通過して、負イオン源１０から負イオンビームＹが放出された後においても、負イオンビームＹのビームライン上の領域等の負イオンビームＹが存在する領域において起こり得る。
【００８３】
そして、負水素イオンＨ−が存在する領域において生成された電子および正水素イオンＨ２＋は、プラズマ加熱に使用されず、加速電源３８あるいは引出電源３７の電力損失となって負イオン源１０や中性粒子入射装置の稼動効率の低下に繋がるため、生成量を低減させることが重要である。
【００８４】
ここで、式（３）に示す反応により負水素イオンＨ−と水素ガスＨ２とが反応して離脱電子が発生する確率Ｐは、負水素イオンＨ−が走行する領域の水素ガスＨ２の密度をＮ、負水素イオンＨ−の走行距離をＬ、式（３）の反応の衝突断面積σをするとおよそ式（５）で示される。
【００８５】
【数１】
Ｐ≒１−exp（−ＮσＬ）      ……（５）
式（５）から脱離電子の発生量を少なくするためには、負水素イオンＨ−が走行する領域において水素ガスＨ２の密度Ｎを小さくすることができれば良いことが分かる。
【００８６】
また、式（３）の反応の衝突断面積σの値は、負水素イオンＨ−のエネルギが１０keV程度以下の低エネルギ領域において大きくなる。負水素イオンＨ−が放電プラズマ源である放電容器１１から引き出された直後の十分に加速されていない領域においては、負水素イオンＨ−は低エネルギである。
【００８７】
このため、負水素イオンＨ−が加速され始める領域となる第１の電極１４と第２の電極２８との間あるいは第２の電極２８と第３の電極２９との間における水素ガスＨ２の密度すなわちガス圧力を小さくすることが有効である。
【００８８】
負水素イオンＨ−の走行領域である各電極１４、２８、２９、３０間の領域における水素ガスＨ２は、放電プラズマ源である放電容器１１内において放電プラズマを生成するために導入された原料である水素ガスＨ２の一部が使用されずに、各電極１４、２８、２９、３０を通過して漏れ出したものである。
【００８９】
そして、各電極１４、２８、２９、３０間の領域における水素ガスＨ２は、真空ポンプ３９により負イオン源１０の外部に排気される。
【００９０】
ここで、第３の電極２９および第４の電極３０にはそれぞれスリット３５、３６が設けられているため、水素ガスＨ２の透過率が大きく、水素ガスＨ２を容易に透過させることができる。このため、水素ガスＨ２を排気する際のコンダクタンスを大きくすることが可能となり、負水素イオンＨ−の走行領域である各電極１４、２８、２９、３０間の領域における水素ガスＨ２の密度を小さくすることができる。
【００９１】
そして、負水素イオンＨ−と水素ガスＨ２とが反応することにより離脱電子が発生する確率Ｐが小さくなって、負水素イオンＨ−の損失率を低減させることができる。
【００９２】
なお、第３の電極２９および第４の電極３０にそれぞれスリット３５、３６を設けたことにより、仮に貫通孔を設けた場合に比べて、負水素イオンＨ−の損失率が５％程度減少することができる。
【００９３】
一方、式（３）ないし式（４）の反応により生成された電子や第３、第４の電極２９、３０の表面から放出された二次電子は、負水素イオンＨ−および第２の電極２８の貫通孔３１を通過した電子とともに加速電源３８により形成された電界の作用により下流側に向かって加速される。さらに、式（４）の反応により生成された正水素イオンＨ２＋は、正イオンであるため負水素イオンＨ−とは逆方向である上流側に向かって加速される。
【００９４】
ここで、第３の電極２９および第４の電極３０にはそれぞれスリット３５、３６が設けられ、かつ第４の電極３０のスリット３６の長手方向Ｘ５と第３の電極２９のスリット３５の長手方向Ｘ４とは互いに所定の角度αをなす方向となるように配置される。
【００９５】
このため、負水素イオンＨ−は第２の電極２８の貫通孔３１の軸線方向に向かって第３の電極２９のスリット３５および第４の電極３０のスリット３６を通過しつつ加速電源３８により所定のエネルギに加速される。
【００９６】
一方、電子の質量は負水素イオンＨ−の質量に比べて軽く、磁界が存在すると磁界の影響により容易に軌道偏向する。一般に、核融合炉ではプラズマを閉じ込めるために強力な磁界が形成される。この磁界は第１〜第４の各電極１４、２８、２９、３０間の領域においても影響を与えるため、磁界により電子は負水素イオンＨ−に比べて大きい量で軌道偏向する。
【００９７】
この結果、電子は加速電源３８により加速されるが、加速された電子のうち軌道偏向されて第２の電極２８の貫通孔３１の軸線方向から十分に異なる方向に向かう電子は、第３の電極２９のスリット３５間の間隙部位あるいは第４の電極３０のスリット３６間の間隙部位に衝突してエネルギを奪われる。
【００９８】
さらに、式（３）および式（４）等に示す反応により生じた電子および正水素イオンＨ２＋は衝突により生成されるため、不特定方向に向かう。また、各電極１４、２８、２９、３０から放出された二次電子も同様に不特定方向に向かう。したがって、同様に正水素イオンＨ２＋は加速電源３８により加速されたとしても第２の電極２８の貫通孔３１の軸線方向から十分に異なる方向に向かうものは、第３の電極２９のスリット３５間の間隙部位あるいは第４の電極３０のスリット３６間の間隙部位に衝突してエネルギを奪われる。
【００９９】
そして、第４の電極３０のスリット３６から負イオン源１０の外部に引き出される電子の量が低減される。さらに、正水素イオンＨ２＋のエネルギ増加が抑制されるため、第１から第４までの各電極１４、２８、２９、３０に衝突したとしても各電極１４、２８、２９、３０に与える影響が低減される。そして、正水素イオンＨ２＋が各電極１４、２８、２９、３０に与える影響も分散される。
【０１００】
一方、負水素イオンＨ−は、所定のエネルギとなって第４の電極３０のスリット３６から負イオン源１０の外部に引き出される。
【０１０１】
すなわち、負イオン源１０は、容器状の放電容器１１の開口部を複数の貫通孔２７を設けた第１の電極１４で閉塞し、放電容器１１の内部において磁界を形成するとともに放電容器１１の内部に水素ガス等のガスとアルカリ金属蒸気とを導入し、かつ放電プラズマを発生させることにより体積生成法と表面生成法とを併用して負水素イオンＨ−等の負イオンを生成するものである。
【０１０２】
さらに、第１の電極１４に貫通孔３１を設けた板状の第２の電極２８とスリット３５、３６をそれぞれ設けた板状の第３および第４の電極２９、３０をギャップを設けて並設し、生成した放電容器１１内の負水素イオンＨ−等の負イオンを第１の電極１４の貫通孔２７から引出電源３７の作用で引き出すとともに各電極１４、２８、２９、３０間において加速電源３８の作用で所定のエネルギに加速して放出するものである。
【０１０３】
そしてこのとき、第３の電極２９に設けたスリット３５の長手方向Ｘ４と第４の電極３０に設けたスリット３６の長手方向Ｘ５とが所定の角度αをなすように配置することにより、各電極１４、２８、２９、３０間において副生された電子および正水素イオンＨ２＋等の正イオンを第３の電極２９および第４の電極３０に衝突させてエネルギ増加を抑制させる構成である。
【０１０４】
従来の負イオン源においては、負水素イオンＨ−を所定のエネルギに加速するための各電極間において副生された正水素イオンＨ２＋が、負水素イオンＨ−とは逆方向に加速されて電極に衝突し、電極材料原子をスパッタしたり、電極表面の付着ガス分子を叩き出すという現象が生じていた。このため、電極が浸食されるとともに電極表面から叩き出されたガス分子により電極間のガス圧が高められ、絶縁破壊が生じる恐れがあった。
【０１０５】
このため、従来、数100keVを超えるような高エネルギの負イオン源１においては、負イオンを加速するために電極を複数枚使用する場合が多いため、上流側の電極３に整列配置して設けられた多数の貫通孔２の各軸を包含するスリット４を下流側の各電極５に同方向に設けて水素ガス等の残留ガスの排気量を大きくする構成が提案されていた。
【０１０６】
しかし、この従来提案される負イオン源１においては水素ガス等の残留ガスの排気量を大きくすることができるものの、下流側の電極５の各スリット４が、その長手方向の向きが同一の方向となるように整列配置されるため、上流側の電極３間の領域で生成されて電極３の貫通孔２の軸上を通過する電子は500keV付近まで加速され得るという問題があった。
【０１０７】
一方、負イオン源１０では、第３の電極２９のスリット３５の長手方向Ｘ４と第４の電極３０のスリット３６の長手方向Ｘ５が互いに所定の角度αをなすため、各電極１４、２８、２９、３０に垂直な直線上に第３の電極２９および第４の電極３０の双方のスリット３５、３６が存在する部位を除いては、電子および正水素イオンＨ２＋は各電極２９、３０のスリット３５、３６の間隙部分に衝突する。
【０１０８】
このため、負イオン源１０では、水素ガス等の残留ガスの排気量を大きくして密度を小さくし、正水素イオンＨ２＋の発生を抑制することができるのみならず、電子および生成された正水素イオンＨ２＋の移動量を低減させるとともに高エネルギまで加速されないようにエネルギ増加を抑制させることができる。
【０１０９】
そして、電子および正水素イオンＨ２＋に消費されるエネルギを抑制し、加速電源３８や引出電源３７の負イオンビーム加速電力ないし引出電力のエネルギ損失量を低減させることができる。このため、負イオン源１０および中性粒子入射装置の稼働効率を向上させることができる。
【０１１０】
また、負イオン源１０においては、各電極１４、２８、２９、３０あるいは負イオン源１０と核融合炉との間をつなぐビームラインの壁面に衝突する電子や逆流正水素イオンＨ２＋等の粒子のエネルギを低エネルギ化させて熱負荷を低減させることにより、各電極１４、２８、２９、３０あるいはビームラインにおける熱的な溶融の発生を回避させることができる。そして、負イオン源１０の信頼性を向上させることができる。
【０１１１】
さらに、負イオン源１０においては、第２の電極２８に到達する逆流正水素イオンＨ２＋の量を少なくすることが可能となり第２の電極２８の浸食量を抑え、放出ガス分子による絶縁破壊の発生頻度を小なくさせることができる。
【０１１２】
なお、第３の電極２９のスリット３５の長手方向Ｘ４の向きと第４の電極３０のスリット３６の長手方向Ｘ５の向きは図３に示す向きに限らず互いに置き換えてもよい。さらに、必要に応じて複数の電極を設けてもよく、この場合、共通の電極上の各スリットの長手方向が互いに同様な向きで整列配置される一方、少なくとも２つの隣接する電極上の各スリット同士の長手方向が互いに所定の角度をなすように設けられていればよい。
【０１１３】
図４は本発明に係る負イオン源の第２の実施形態を示す斜視方向からの断面図である。
【０１１４】
図４に示された、負イオン源１０Ａでは、第２の電極２８と第３の電極２９との間に低エネルギ領域用加速電極の一例として第５の電極４０を設けた構成が図１に示す第１の実施形態による負イオン源１０と相違する。他の構成および作用については図１に示す負イオン源１０と実質的に異ならないため第２の電極２８から第４の電極３０までの間の構成以外については図示せずかつ同一の構成については同符号を付して説明を省略する。
【０１１５】
負イオン源１０Ａにおいては、第２の電極２８と第３の電極２９との間に第５の電極４０が設けられる。第５の電極４０には複数の貫通孔４１が設けられる。このとき第５の電極４０の貫通孔４１は、第５の電極４０の貫通孔４１の軸が第２の電極２８の貫通孔３１の軸と同一直線上付近となるような位置に設けられる。
【０１１６】
また第２の電極２８と第５の電極４０との間および第５の電極４０と第３の電極２９との間には加速電源３８が設けられ、加速電源３８により各電極２８、２９、３０、４０間に電圧が印加される。
【０１１７】
ここで、第２の電極２８と第５の電極４０とは、同様な形状であるため、第２の電極２８と第５の電極４０との間に形成される電界は、第５の電極４０の貫通孔４１の軸および第２の電極２８の貫通孔３１の軸に対して線対象となる。
【０１１８】
また、第２の電極２８の近傍における負水素イオンＨ−のエネルギは、１０ｋｅＶ前後の低エネルギである。
【０１１９】
このため、負イオン源１０Ａにおいては、低エネルギ領域の負水素イオンＨ−をより低出力の加速電源３８により効率良く加速させることが可能となる。そして、負イオン源１０Ａでは、負イオン源１０の効果に加えて、負水素イオンＨ−の量およびエネルギの損失を低減させてより大電流かつ高効率の負イオンビームＹの引き出しを可能とすることができる。
【０１２０】
なお、負イオン源１０Ａにおいて、第５の電極４０を単一とせずに複数枚の電極により構成してもよい。
【０１２１】
図５は本発明に係る負イオン源の第３の実施形態を示す斜視方向からの断面図である。
【０１２２】
図５に示された、負イオン源１０Ｂでは、第２の電極２８、第３の電極２９および第４の電極３０の位置関係が図１に示す第１の実施形態による負イオン源１０と相違する。他の構成および作用については図１に示す負イオン源１０と実質的に異ならないため第２の電極２８から第４の電極３０までの間の構成以外については図示せずかつ同一の構成については同符号を付して説明を省略する。
【０１２３】
負イオン源１０Ｂでは、第３の電極２９および第４の電極３０のスリット３５、３６が、所要の位置となるようにスライドされて設けられる。あるいは、スリット３５、３６の位置が所要の位置となるように第３の電極２９および第４の電極３０がスライドされて配置される。
【０１２４】
例えば、第３の電極２９のスリット３５の位置を、スリット３５の長手方向Ｘ４にスライドさせる。この結果、第３の電極２９のスリット３５端部を通り第２の電極２８の貫通孔３１の軸と平行な線と、第２の電極２８の貫通孔３１のうち第３の電極２９のスリット３５の端部側の貫通孔３１の軸とが一定の距離ａ１だけスライドされる。
【０１２５】
同様に、第２の電極２８の貫通孔３１の軸と第４の電極３０のスリット３６端部を通り第２の電極２８の貫通孔３１の軸と平行な線との距離が一定の距離ａ２だけスライドした位置となるように第４の電極３０のスリット３６の位置が設定される。
【０１２６】
第３の電極２９および第４の電極３０の形状は、複数のスリット３５、３６をそれぞれ一様な方向に有する形状であるため、第３の電極２９および第４の電極３０の近傍においては、各スリット３５、３６の中心面に対して対称となるような電界が形成される。
【０１２７】
このため、第３の電極２９および第４の電極３０の近傍において、負水素イオンＨ−は、第３の電極２９および第４の電極３０の各スリット３５、３６の中心面に対して垂直な方向に軌道偏向される。負水素イオンＨ−の軌道偏向の大きさは、第３の電極２９および第４の電極３０の形状や位置関係等の電界形成条件に依存する。
【０１２８】
そこで、負水素イオンＨ−の軌道偏向量に応じて第３の電極２９のスリット３５のスライド量ａ１および第４の電極３０のスリット３６のスライド量ａ２が設定される。逆に、各電極２８、２９、３０間の電界形成条件と第３ないし第４の電極２９、３０の各スリット３５、３６のスライド量ａ１、ａ２とを調整することにより所要の電界を形成して負水素イオンＨ−を任意の方向に軌道偏向させることができる。
【０１２９】
すなわち、第３の電極２９および第４の電極３０の各スリット３５、３６の中心面の法線ベクトルは互いに異なる方向成分を有するため、負イオン源１０Ｂでは、負水素イオンＨ−の軌道偏向を合成してあらゆる方向に負水素イオンＨ−を軌道偏向させることができる。
【０１３０】
また、負イオン源１０Ｂでは、負イオン源１０の効果に加えて、負水素イオンＨ−の生成量が多く各電極１４、２８、２９、３０の面積が大きい場合に、負水素イオンＨ−のエネルギ損失等のロスを低減させて大容量の負イオンビームＹを長距離まで高効率で輸送することができる。
【０１３１】
なお、負イオン源１０Ｂにおいて、さらに複数の所要の形状の電極を所要の電極１４、２８、２９、３０間に設けてもよい。
【０１３２】
また、第３の電極２９および第４の電極３０の各スリット３５、３６のスライド方向は必要に応じて各スリット３５、３６の長手方向Ｘ４，Ｘ５に限らず長手方向Ｘ４，Ｘ５に垂直な方向あるいは斜方向でもよい。
【０１３３】
また、第３の電極２９および第４の電極３０の位置を固定して第２の電極２８あるいは第２の電極２８の貫通孔３１の位置をスライドしてもよく、第２の電極２８の貫通孔３１と第３の電極２９および第４の電極３０の各スリット３５、３６との相対的な位置関係が所要の位置関係となる構成であればよい。
【０１３４】
図６は本発明に係る負イオン源の第４の実施形態を示す斜視方向からの断面図である。
【０１３５】
図６に示された、負イオン源１０Ｃでは、第５の電極４０の形状が図４に示す第２の実施形態による負イオン源１０Ａと相違する。他の構成および作用については図１に示す負イオン源１０と実質的に異ならないため第２の電極２８から第４の電極３０までの間の構成以外については図示せずかつ同一の構成については同符号を付して説明を省略する。
【０１３６】
負イオン源１０Ｃでは、第５の電極４０に設けられた貫通孔４１のうち端部の貫通孔４１の軸が、第２の電極２８の貫通孔３１の軸に対してスライドするように第５の電極４０上の貫通孔４１が配置される。
【０１３７】
すなわち、第５の電極４０の貫通孔４１の軸のうち、第３の電極２９のスリット３５端部に対応する貫通孔４１の軸が第２の電極２８の貫通孔３１の軸に対して距離ｂ１だけスライドするように配置される。一方、第５の電極４０の貫通孔４１の軸うち、第４の電極３０のスリット３６端部に対応する貫通孔４１の軸が第２の電極２８の貫通孔３１の軸に対して距離ｂ２だけスライドするように配置される。
【０１３８】
このため、第５の電極４０の端部の貫通孔４１近傍においては、貫通孔４１の軸のスライド方向に電界の歪が生じる。
【０１３９】
一方、第３の電極２９および第４の電極３０の形状は、複数のスリット３５、３６をそれぞれ一様な方向に有する形状であるため、第３の電極２９および第４の電極３０の各スリット３５、３６端部近傍においては、電界の歪が各スリット３５、３６の長手方向Ｘ４，Ｘ５に生じる。
【０１４０】
このため、第５の電極４０の端部の貫通孔４１を通過する負水素イオンＨ−は貫通孔４１の軸のスライド方向に軌道偏向される。さらに、第３の電極２９および第４の電極３０の各スリット３５、３６端部を通過する負水素イオンＨ−は各スリット３５、３６の長手方向Ｘ４，Ｘ５に軌道偏向される。
【０１４１】
したがって、第２の電極２８の端部の貫通孔３１を通過した電子は、第５の電極４０において軌道偏向された後、さらに第３の電極２９あるいは第４の電極３０の各スリット３５、３６端部を通過する際に軌道偏向されてもとの軌道付近に戻る。
【０１４２】
すなわち、負イオン源１０Ｃは、第５の電極４０の端部の貫通孔４１の位置をスライドさせて電界の歪を形成し、形成した歪と第３の電極２９および第４の電極３０の各スリット３５、３６端部近傍において生じる電界の歪とで相殺する構成である。
【０１４３】
したがって、第５の電極４０の端部の貫通孔４１のスライド量である距離ｂ１および距離ｂ２は、各電極２８、２９、３０、４０の形状や位置関係等の電界形成条件に応じて第３の電極２９および第４の電極３０の各スリット３５、３６端部近傍において生じる電界の歪を相殺させるように設定される。
【０１４４】
負イオン源１０Ｃでは、負イオン源１０Ａの効果に加えて第３の電極２９および第４の電極３０の各スリット３５、３６端部近傍において生じる電界の歪による負水素イオンＨ−への影響を回避できるため、発生した負水素イオンＨ−を長距離までより高効率で輸送することができる。
【０１４５】
図７は本発明に係る負イオン源の第５の実施形態を示す斜視方向からの断面図である。
【０１４６】
図７に示された、負イオン源１０Ｄでは、第３の電極２９および第４の電極３０のスリット３５、３６の長さが図４に示す第２の実施形態による負イオン源１０Ａと相違する。他の構成および作用については図４に示す負イオン源１０Ａと実質的に異ならないため第２の電極２８から第４の電極３０までの間の構成以外については図示せずかつ同一の構成については同符号を付して説明を省略する。
【０１４７】
負イオン源１０Ｄでは、第５の電極４０の貫通孔４１の各軸が第３の電極２９のスリット３５内を通過するために必要な長さよりも第３の電極２９のスリット３５の長さが所要の長さだけ長く設定される。すなわち、第５の電極４０の貫通孔４１のうち第３の電極２９のスリット３５端部側の貫通孔４１の軸と第３の電極２９のスリット３５端部を通り第５の電極４０の軸と平行な線との距離が所要の距離ｃ１となるように設定される。
【０１４８】
同様に、第５の電極４０の貫通孔４１の各軸が第４の電極３０のスリット３６内を通過するために必要な長さよりも第４の電極３０のスリット３６の長さが所要の長さだけ長く設定される。すなわち、第５の電極４０の貫通孔４１のうち第４の電極３０のスリット３６端部側の貫通孔４１の軸と第４の電極３０のスリット３６端部を通り第５の電極４０の軸と平行な線との距離が所要の距離ｃ２となるように設定される。
【０１４９】
このため、第３の電極２９および第４の電極３０の各スリット３５、３６端部近傍において電界の歪が生じるが、第５の電極４０の貫通孔４１を通過した負水素イオンＨ−は、この電界に歪が生じた領域である第３の電極２９および第４の電極３０の各スリット３５、３６端部近傍から十分に離れた位置を通過する。
【０１５０】
したがって、負イオン源１０Ｄでは、第５の電極４０の貫通孔４１を通過した負水素イオンＨ−が、第３の電極２９および第４の電極３０の各スリット３５、３６端部近傍において生じた電界の歪の影響を受けずに各スリット３５、３６の長手方向Ｘ４，Ｘ５へ軌道偏向することなく第３の電極２９および第４の電極３０の各スリット３５、３６を通過することができる。
【０１５１】
このため、負イオン源１０Ｄでは、第５の電極４０の貫通孔４１を通過した負水素イオンＨ−が、第３の電極２９および第４の電極３０の各スリット３５、３６の中心面に垂直な方向へ軌道偏向するのみとすることができる。そして、より長距離かつ高効率で負水素イオンＨ−の輸送を可能とする電極の設計作業を容易にすることができる。
【０１５２】
図８は本発明に係る負イオン源の第６の実施形態を示す斜視方向からの断面図である。
【０１５３】
図８に示された、負イオン源１０Ｅでは、第３の電極２９および第４の電極３０のスリット３５、３６の幅が互いに異なる点が図１に示す第１の実施形態による負イオン源１０と相違する。他の構成および作用については図１に示す負イオン源１０と実質的に異ならないため第２の電極２８から第４の電極３０までの間の構成以外については図示せずかつ同一の構成については同符号を付して説明を省略する。
【０１５４】
負イオン源１０Ｅでは、第３の電極２９のスリット３５の幅ｄ１よりも第４の電極３０のスリット３６の幅ｄ２のほうが広くなるように構成される。
【０１５５】
負イオン源１０Ｅにおいて、各電極１４、２８、２９、３０間の領域における水素ガスＨ２は、真空ポンプ３９により負イオン源１０Ｅの外部に排気される。この際、負イオン源１０Ｅでは、第４の電極３０のスリット３６の幅ｄ２は広く設定されるため水素ガスＨ２を排気する際のコンダクタンスを大きくすることができる。
【０１５６】
このため、各電極１４、２８、２９、３０間の領域における水素ガスＨ２の密度を小さくすることができる。そして、負水素イオンＨ−と水素ガスＨ２とが反応することにより離脱電子が発生する確率が小さくなって、負水素イオンＨ−の損失量を低減させることができる。
【０１５７】
すなわち、負イオン源１０Ｅでは、負イオン源１０の効果に加えてより大電流の負イオンビームＹを引き出すことが可能となる。
【０１５８】
図９は本発明に係る負イオン源の第７の実施形態を示す斜視方向からの断面図である。
【０１５９】
図９に示された、負イオン源１０Ｆでは、第３の電極２９および第４の電極３０のスリット３５，３６の幅が互いに異なる点が図１に示す第１の実施形態による負イオン源１０と相違する。他の構成および作用については図１に示す負イオン源１０と実質的に異ならないため第２の電極２８から第４の電極３０までの間の構成以外については図示せずかつ同一の構成については同符号を付して説明を省略する。
【０１６０】
負イオン源１０Ｆでは、第４の電極３０のスリット３６の幅ｅが、第３の電極２９の複数の例えば２つの隣接する各スリット３５の幅に各スリット３５、３５間の間隙部の幅を加えた長さｅと同程度の幅となるように設定される。
【０１６１】
負イオン源１０Ｆにおいて、各電極１４、２８、２９、３０間の領域における水素ガスＨ２は、真空ポンプ３９により負イオン源１０Ｆの外部に排気される。この際、負イオン源１０Ｆでは、第４の電極３０のスリット３６の１つ当たりの幅ｅが広く面積が大きいため水素ガスＨ２の透過率が高くなって排気する際のコンダクタンスを大きくすることができる。
【０１６２】
このため、各電極１４、２８、２９、３０間の領域における水素ガスＨ２の密度を小さくすることができる。そして、負水素イオンＨ−と水素ガスＨ２とが反応することにより離脱電子が発生する確率が小さくなって、負水素イオンＨ−の損失量を低減させることができる。
【０１６３】
すなわち、負イオン源１０Ｆでは、負イオン源１０の効果に加えてより大電流の負イオンビームＹを引き出すことが可能となる。
【０１６４】
図１０は本発明に係る負イオン源の第８の実施形態を示す斜視方向からの断面図である。
【０１６５】
図１０に示された、負イオン源１０Ｇでは、第４の電極３０のさらに下流側に正イオン抑制電極の一例として第６の電極５０を設け、さらに第４の電極３０と第６の電極５０との間に正イオン抑制電源５１を設けた構成が図１に示す第１の実施形態による負イオン源１０と相違する。他の構成および作用については図１に示す負イオン源１０と実質的に異ならないため第２の電極２８から第４の電極３０までの間の構成以外については図示せずかつ同一の構成については同符号を付して説明を省略する。
【０１６６】
負イオン源１０Ｇでは、第４の電極３０のさらに下流側に第６の電極５０が設けられ、さらにこの第６の電極５０と第４の電極３０との間には正イオン抑制電源５１が設けられる。そして、この正イオン抑制電源５１により第４の電極３０に正の電位を印加する一方、第６の電極５０は接地されて接地電位とされる。この結果、正イオン抑制電源５１の作用により第４の電極３０から第６の電極５０に向かう電界が形成される。
【０１６７】
第６の電極５０からは負イオンビームＹが引き出され、図示しない負イオンビームＹのビームライン内の領域に導かれるが、この領域においても負イオンビームＹと負イオン源１０から漏れ出した水素ガス等の粒子との間で式（４）等の各種反応が起こりビームプラズマが発生しうる。発生したビームプラズマには正イオンが含まれるが、正イオン抑制電源５１により第４の電極３０と第６の電極５０との間に形成された電界の作用により、正イオンが負イオンビームＹの進行方向と逆方向に進み再び第６の電極５０を通過して第４の電極３０と第６の電極５０との間に侵入するのを抑制することができる。
【０１６８】
このため、負イオン源１０Ｇでは、負水素イオンＨ−の加速領域に逆流する正イオンの量を低減させることが可能となり、電源効率を向上させてより高効率の負イオンビームＹを引き出すことができる。
【０１６９】
なお、第６の電極５０の形状は任意であり、貫通孔あるいはスリットのいずれを設けてもよく、スリットを設けた場合には向きも任意であるが、第６の電極５０のスリットと同方向の向きのスリットを第４の電極３０に設ければ、より最適な電界が形成されて効率的に正イオンの侵入を抑制することができる。さらに、水素ガス等の放電原料ガスやその他の不純粒子が第６の電極５０を通過しやすくなって第４の電極３０と第６の電極５０との間の残留放電原料ガス密度を小さくできるという効果が得られる。
【０１７０】
また、第６の電極５０の下流にさらに複数の電極を設けてもよい。
【０１７１】
図１１は本発明に係る負イオン源の第９の実施形態を示す斜視方向からの断面図、図１２は図１１に示すＡ部分の拡大図、図１３は図１１に示すＢ−Ｂ方向からみた断面図、図１４は図１３に示すＣ−Ｃ方向からみた断面図である。
【０１７２】
図１１に示された、負イオン源１０Ｈでは、第３の電極２９および第４の電極３０に設けられたスリット３５、３６の形状および第３の電極２９および第４の電極３０の構造が図１に示す第１の実施形態による負イオン源１０と相違する。他の構成および作用については図１に示す負イオン源１０と実質的に異ならないため第３の電極２９ないし第４の電極３０の以外については図示せずかつ同一の部分については同符号を付して説明を省略する。
【０１７３】
負イオン源１０Ｈでは、第３（第４）の電極２９（、３０）の各スリット３５（、３６）間の間隙部を互いに接続して固定する架橋６０がスリット３５（、３６）内に設けられる。この架橋６０の数および位置は任意である。そして、この架橋６０の作用により第３（第４）の電極２９（、３０）の各スリット３５（、３６）の中心面に垂直な方向の強度が向上されて補強される。
【０１７４】
一方、第３（第４）の電極２９（、３０）の端部は、絶縁体等の電極支持体６１に接続される。電極支持体６１は例えば第３（第４）の電極２９（、３０）の任意の一方の面と接続される。このため、第３（第４）の電極２９（、３０）の端部には、第３（第４）の電極２９（、３０）を電極支持体６１と一体化するための段付のボルト用貫通孔６２および第３（第４）の電極２９（、３０）と電極支持体６１との間の位置決めをするための溝状の位置決め用長孔６３が設けられる。
【０１７５】
そして、第３（第４）の電極２９（、３０）の段付のボルト用貫通孔６２の孔径が小さい側は電極支持体６１側とされ、位置決め用長孔６３は第３（第４）の電極２９（、３０）端部の電極支持体６１側の面に設けられる。このとき第３（第４）の電極２９（、３０）に設けられた位置決め用長孔６３の長手方向がスリット３５（、３６）の長手方向Ｘ４（，Ｘ５）と同方向となるように構成される。
【０１７６】
さらに、電極支持体６１の第３（第４）の電極２９（、３０）のボルト用貫通孔６２に対応する位置にボルト用タップ孔６４が設けられ、位置決め用長孔６３に対応する位置に座繰り状の位置決め孔６５が設けられる。
【０１７７】
そして、電極支持体６１の位置決め孔６５と第３（第４）の電極２９（、３０）の位置決め用長孔６３とに滑合する位置決めピン６６が設けられることにより、電極支持体６１と第３（第４）の電極２９（、３０）と位置決め用長孔６３の長手方向に垂直な方向の位置決めがなされる。
【０１７８】
さらに、第３（第４）の電極２９（、３０）のボルト用貫通孔６２内には筒状あるいはコイル状のカラー６７が設けられる。このカラー６７の長さは、段付き状のボルト用貫通孔６２の孔径が小さい側の孔の深さよりも長い形状とされる。そして、カラー６７と電極支持体６１のボルト用タップ孔６４とがボルト６８で固定される。すなわち、ボルト６８を強いトルクで締結しても第３（第４）の電極２９（、３０）は電極支持体６１に強固には固定されない構造とされる。
【０１７９】
このため、第３（第４）の電極２９（、３０）は電極支持体６１に扇動可能に設けられる。そして、第３（第４）の電極２９（、３０）の位置決め用長孔６３と滑合した位置決めピン６６が、位置決め用長孔６３の長手方向に滑って移動することができるように構成される。
【０１８０】
すなわち、第３（第４）の電極２９（、３０）と電極支持体６１とは、位置決め用長孔６３の長手方向には扇動可能であるが、位置決め用長孔６３の長手方向と垂直な方向には位置決めピン６６の作用により扇動不可能に構成される。
【０１８１】
負イオン源１０Ｈでは、第３（第４）の電極２９（、３０）の各スリット３５（、３６）の中心面に垂直な方向の強度が補強されて変形に対する抵抗力が増加させることができる。このため、第３（第４）の電極２９（、３０）にスリット３５（、３６）を設けるための穿孔や切削加工等の加工の際および製作後の熱等の原因によるスリット３５（、３６）の変形を抑えることが可能となって電極２９（、３０）の信頼性を高めることができる。
【０１８２】
さらに、負イオン源１０Ｈでは、第３（第４）の電極２９（、３０）は、各スリット３５（、３６）の中心面に垂直な方向に補強されかつスリット３５（、３６）の長手方向Ｘ４（，Ｘ５）に扇動可能に構成されるため、熱の影響により材料の伸縮が発生した場合でも、第３（第４）の電極２９（、３０）の伸縮方向をスリット３５（、３６）の長手方向Ｘ４（，Ｘ５）として逃がすことができる。
【０１８３】
したがって、負イオン源１０Ｈでは、第３（第４）の電極２９（、３０）のスリット３５（、３６）の長手方向Ｘ４（，Ｘ５）に垂直な方向への変形を抑制することが可能となり、第３（第４）の電極２９（、３０）に変形が生じる程入熱があったとしても、負イオンビームＹの軌道に変位が生じることなくより安定した信頼性のある負イオンビームＹの発生が可能となる。
【０１８４】
なお、各実施形態における負イオン源１０、１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ，１０Ｇ，１０Ｈは、複合的に組み合わせて構成してもよい。例えば、第５の電極４０と第６の電極５０の双方を設ける構成としてかつ第３（第４）の電極のスリット３５（、３６）内に架橋６０を設けてもよい。
【０１８５】
また、負イオンは負水素イオンＨ−以外の負イオンであってもよく、原料となるガスは、水素ガスに限らず生成しようとする負イオンに応じたガスが選択されればよい。さらに、正イオンは正水素イオン以外の正イオンであっても対象とすることが可能であり正水素イオンはＨ２＋以外の正水素イオンであってもよい。
【０１８６】
また、引出電源３８、加速電源３８および正イオン抑制電源の個数は任意であり、各電極１４、２８、２９、３０、４０、５０間に所要の電界が形成されるように構成されていればよい。
【０１８７】
さらに、各実施形態における負イオン源１０、１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ，１０Ｇ，１０Ｈでは、第１の電極１４の貫通孔２７の軸上に第２の電極２８の貫通孔３１、第３の電極２９のスリット３５、第４の電極のスリット３６、第５の電極４０の貫通孔４１および第６の電極５０のスリットないし貫通孔を設けたが、負イオンの進行方向が直線とならない場合には、必ずしも第１の電極１４の貫通孔２７の軸上に設ける必要はなく、負イオンの進行方向に沿う線に沿って設けられればよい。
【０１８８】
さらに、このとき負イオンの進行方向に沿う線の全てが第１の電極１４の貫通孔２７、第２の電極２８の貫通孔３１、第３の電極２９のスリット３５、第４の電極のスリット３６、第５の電極４０の貫通孔４１および第６の電極５０のスリットないし貫通孔を通過する必要はなく、所要の一部の線が通過できるように構成されていればよい。
【０１８９】
【発明の効果】
本発明に係る負イオン源においては、残留ガスの排気コンダクタンスを大きくして正イオンの副生量を低減させることができるのみならず、副生された正イオンや電子を各負イオン加速電極の隣接するスリット間の間隙部に衝突させることにより、その高エネルギ化を抑制してより低出力の電力で効率的に負イオンビームを発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る負イオン源の第１の実施形態を示す断面図。
【図２】図１に示す第１から第４までの電極の詳細な構成を示す断面図。
【図３】図１に示す第２の電極から第４の電極までの形状を示す斜方向からの断面図。
【図４】本発明に係る負イオン源の第２の実施形態を示す斜視方向からの断面図。
【図５】本発明に係る負イオン源の第３の実施形態を示す斜視方向からの断面図。
【図６】本発明に係る負イオン源の第４の実施形態を示す斜視方向からの断面図。
【図７】本発明に係る負イオン源の第５の実施形態を示す斜視方向からの断面図。
【図８】本発明に係る負イオン源の第６の実施形態を示す斜視方向からの断面図。
【図９】本発明に係る負イオン源の第７の実施形態を示す斜視方向からの断面図。
【図１０】本発明に係る負イオン源の第８の実施形態を示す斜視方向からの断面図。
【図１１】本発明に係る負イオン源の第９の実施形態を示す斜視方向からの断面図。
【図１２】図１１に示すＡ部分の拡大図。
【図１３】図１１に示すＢ−Ｂ方向からみた断面図。
【図１４】図１３に示すＣ−Ｃ方向からみた断面図。
【図１５】従来の負イオン源の電極の構成を示す斜視図。
【符号の説明】
１０  負イオン源
１１  放電容器
１２  側壁面
１３  絶縁材
１４  第１の電極
１５  閉口側壁面
１６  ガス導入口
１７  アルカリ金属蒸気導入口
１８  ガス源
１９  ガス配管
２０  アルカリ金属オーブン
２１  アルカリ金属蒸気配管
２２  磁石
２３  フィルタ磁石
２４  第一室
２５  第二室
２６  フィラメント
２７  貫通孔
２８  第２の電極
２９  第３の電極
３０  第４の電極
３１  貫通孔
３２  電子トラップ
３３  磁石
３４  水冷パイプ
３５，３６  スリット
３７  引出電源
３８  加速電源
３９  真空ポンプ
４０  第５の電極
４１  貫通孔
５０  第６の電極
５１  正イオン抑制電源
６０  架橋
６１  電極支持体
６２  ボルト用貫通孔
６３  位置決め用長孔
６４  ボルト用タップ孔
６５  位置決め孔
６６  位置決めピン
６７  カラー
６８  ボルト
Ｘ１  磁力線
Ｘ２  磁気フィルタ
Ｘ３  磁力線
Ｘ４  第３の電極のスリットの長手方向
Ｘ５  第４の電極のスリットの長手方向
Ｙ  負イオンビーム
【図１】
2004207148.tif 000003
【図２】
2004207148.tif 000004
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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