(57)【要約】【課題】従来のセシウム添加型負イオン源は、セシウムの蒸気圧が高く且つ電子を放出しやすいことから、加速電極などに付着し易く、ビーム加速のための高電圧絶縁機能を低下させやすく、また、電極の温度制御が必要な他、セシウムは活性なアルカリ金属であるため取扱も難しく、イオン源のメンテナンスも複雑である。【解決手段】負イオン源のプラズマ電極表面をカーボンナノチューブで覆うことにより、イオン生成用のソースプラズマのシース電圧でカーボンナノチューブから電子が放出されて等価的に仕事関数が低下した電極表面状態となり負イオン生成反応が増強された負イオン源。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負イオン源のプラズマ電極表面をカーボンナノチューブで覆うことにより、イオン生成用のソースプラズマのシース電圧でカーボンナノチューブから電子が放出されて等価的に仕事関数が低下した電極表面状態となり負イオン生成反応が増強された負イオン源。
【請求項２】
負イオン生成のソースプラズマに面した負イオン引き出しの一枚目の電極であるプラズマ電極表面をカーボンナノチューブで覆うことを特徴とする請求項１記載の負イオン源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、負イオン生成効率を高めるために不可欠であったセシウムの添加を行わずに負イオンを高い効率で生成する負イオン源に関するもので、カーボンナノチューブを用いた負イオン源である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、負イオン源においては、負イオンの生成効率を高めるためにセシウム蒸気を負イオン源に導入する。これは、負イオン生成のソースプラズマに面し、負イオン引き出しの一枚目の電極であるプラズマ電極面の仕事関数を下げることで、その表面での負イオン生成を活発にするためである。
【０００３】
図１に従来型負イオン源の概略図を示す。ソースプラズマ中で生成された水素原子や正イオンがセシウムで表面が覆われたプラズマ電極に衝突し、そこで電子を受け取り負イオンとなる。
【０００４】
更に、図１について説明すると、振動励起分子の電子付着解離反応は、負イオン生成のための反応であって、プラズマ中での負イオン生成の主な反応過程である。そこでは、まず、水素分子に高速の電子がぶつかり分子にエネルギーを与え、分子を振動励起状態にさせる。次に、この振動励起分子が低速の電子が出会うと、電子を取り込んで分子の内の一つの原子が負イオンになり、もう一つの水素原子と解離する。これが振動励起分子の電子付着解離反応である。更に、負イオン生成効率の高いもう一つの反応は、水素原子がプラズマ電極のセシウム蒸着表面に当たってそこで電子をもらい負イオンとなる表面生成反応である。
【０００５】
電子抑制電極は、電子の加速を防ぐためのものである。ソースプラズマ中の電子は負イオンと同様にマイナスの電荷を持っており、且つ電子は負イオンより軽いので、プラズマから負イオンを引き出す場合に電子電流の方が大きな電流となり、負イオンの加速の効率が低下する。そこで、電子の流出をできるだけ抑制することが不可欠になるために、電子抑制電極が負イオン源に設けられる。そして、この電極で、上流から漏れてきた電子をトラップして、下流の加速部に流れないようにしている。
【０００６】
永久磁石は、ソースプラズマを効率よく生成させるために、プラズマ中のイオンや電子が壁に逃げるのをできるだけ防ぐものである。又、電磁フィルターは、ソースプラズマを主放電の領域と負イオン生成の領域に分ける横磁場フィルターであり、電子のエネルギーの高い領域とエネルギーの低い領域に分け、負イオンの生成効率を高めるために用いられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
表面生成に有効なセシウムは、蒸気圧が高く且つ電子を放出しやすいことから、容易に蒸発し加速電極などに付着し易く、ビーム加速のための高電圧絶縁機能を低下させやすい。また、電極の温度制御が必要な他、セシウムは活性なアルカリ金属であるため取扱も難しく、イオン源のメンテナンスも複雑である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、これらの不都合を解決するためのもので、カーボンナノチューブで覆ったプラズマ電極を使用した負イオン源である。プラズマ電極にカーボンナノチューブを付着させた電極を用いることによって、イオン生成用のソースプラズマのシース電圧によってカーボンナノチューブから電子が放出され、等価的に仕事関数が低下した電極表面状態となり負イオン生成反応が増強される。
【０００９】
上記のイオン生成用のソースプラズマのシース電圧とは、プラズマと電極間に発生する電圧である。負イオンに限らず、イオンの生成にはまず放電によってプラズマ（気体がイオンと電子に電離した状態）を生成させる。これがイオンを生成するための元となるソースプラズマである。
放電容器内にソースプラズマを作ると、容器である金属の壁とプラズマ本体の間には、シースという厚みの薄い領域が形成される。そこには、通常数ボルトの電圧が発生する。これがシース電圧である。プラズマ自身がこのシース電圧を持つことによって電子を捕獲し、プラズマを維持しようとする作用がある。
【００１０】
そこで、カーボンナノチューブで覆った電極面にこのシース電圧が形成されると、シース電圧は数ボルトとそれほど高くない電圧であるが、ナノチューブは極微細であるために、その先端には強い電界が集中し、その強い電界で電子が放出され、この電子が水素又は重水素原子或いはイオンに付着して負イオンの生成に寄与し、高い負イオン生成効率が得られる。
【００１１】
上記の等価的に仕事関数が低下した電極表面状態とは、電子を放出しやすい表面状態をいう。負イオンの生成効率は電極の仕事関数の高低で決まる。仕事関数とは、金属表面から電子の放出のし易さ、電子放出の障壁の高低を示す物理量である。仕事関数が小さいと電子はその障壁を乗り越えてすぐに放出され、仕事関数が高いと電子がその分のエネルギーを得ないと出てこないので、電子が出にくいことになる。仕事関数は電極の材質で決まり、負イオン源では、セシウム金属を電極に薄く付けてセシウムと電極金属の持つ本来の仕事関数より更に低くすることによって電子を出しやすくし、負イオンの生成の効率を上げることができる。
【００１２】
仕事関数は、電子の放出のし易さを示す値であるので、カーボンナノチューブを付けた電極が、電子を放出しやすいことは、仕事関数の小さな金属を用いたことと同じ効果を生ずることになる。したがって、等価的に仕事関数が低下した電極が形成される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１に従来型負イオン源、図２に本発明のカーボンナノチューブ電極を用いた負イオン源の概略図を示す。ソースプラズマ中で生成された水素原子や正イオンがカーボンナノチューブで表面が覆われたプラズマ電極に衝突し、そこで電子を受け取り負イオンとなる。
【００１４】
即ち、図１の従来のセシウム添加型負イオン源においては、電極の仕事関数を低下させて負イオンの生成効率を高めるために、負イオン生成のソースプラズマに面した負イオン引き出しの一枚目の電極であるプラズマ電極表面にセシウムが蒸着されている。負イオンの生成を促進するセシウム蒸着表面で水素や重水素原子（Ｈ，Ｄ）及び水素イオンや重水素イオン（Ｈ＋，Ｄ＋）が電子を受け取り、負イオンが形成される。生成された負イオンは引出し電極で引き出され、その下流の加速電極により加速されて負イオン源から矢印方向に取り出される。
【００１５】
しかし、従来のセシウム添加型負イオン源においては、セシウムの蒸気圧が高いためにセシウムが容易に蒸発して加速電極に付着しやすい。セシウムが流出して加速電極に付着するとその高電圧絶縁性能が低下するので、定期的にセシウムを除去することが必要になる。又、プラズマ＋電極を３００℃程度に温度制御する必要があり、運転制御が複雑である。
【００１６】
図２の本発明のカーボンナノチューブ型負イオン源は、プラズマ電極表面にカーボンナノチューブ層を持つ電極を使用したイオン源であり、プラズマのシース電圧である低電圧でカーボンナノチューブ表面から電子を放出するので、等価的に仕事関数の低下したプラズマ電極表面を形成し、その表面で水素原子（Ｈ）又は重水素原子（Ｄ）やイオンがその放出電子を受け取って水素又は重水素の負イオンが形成される。その結果、従来の負イオン源で用いられるセシウムが不要なので、電極の温度制御が不要になり、且つセシウムの加速電極への流出付着がなくなって加速電極の高電圧絶縁性能低下が防止されるため、負イオン源のメンテナンスを大幅に省略することができる。
【００１７】
【発明の効果】
本発明のこの電極によって、電極の温度制御やアルカリ金属であるセシウムの取扱が不要となり、負イオン源の運転やメンテナンスが容易となる。また、セシウムの流出付着による耐電圧低下などの問題も回避できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来型のセシウム添加型負イオン源を示す図である。
【図２】本発明による負イオン源を示す図である。
【図１】
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【図２】
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