(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマチャンバの外側に配置した筒状の基体枠の外周面に該基体枠の中心軸方向に配置されるように複数の棒状永久磁石による第１の多極永久磁石組体を配設し、
前記第１の多極永久磁石組体における前記複数の棒状永久磁石の外側にはこれとほぼ同じ長さの筒状の外枠体となるヨーク体を被せ、
前記基体枠の両端に端部枠を設け、
該端部枠の両外側には複数の棒状永久磁石による第２の多極永久磁石組体を配設し、
前記第１の多極永久磁石組体を構成する棒状永久磁石により、前記基体枠の中心軸と直交する断面内において主磁気閉回路を形成し、
前記第２の多極永久磁石組体を構成する棒状永久磁石により、前記端部枠の中心軸と直交する断面内において前記第１の多極永久磁石組体と同極の端部磁気閉回路を形成し、
前記第２の多極永久磁石組体のそれぞれの外側部分に近接してミラー磁石を配置すると共に、両側の前記ミラー磁石の間に前記ヨーク体を介在させ、
マイクロ波導入用の導波管との接続のために、前記プラズマチャンバ、前記基体枠及び前記ヨーク体の三重構成体に少なくとも１つの接続部を設けて導波管を接続し、該接続部は前記第１の多極永久磁石組体における棒状永久磁石間に位置させると共に、前記プラズマチャンバ、前記基体枠及び前記ヨーク体にはそれぞれそれらの中心軸方向に平行な長穴を形成し、且つ前記プラズマチャンバの長穴部分の前記接続部にはＲＦ窓を配設して前記プラズマチャンバの半径方向からマイクロ波を導入するようにし、
前記第１の多極永久磁石組体における前記複数の棒状永久磁石は、磁極数Ｎ（Ｎは偶数）に応じて前記基体枠の周方向に関してＮ組の磁石組体に分割構成して、それぞれの組に属する棒状永久磁石は前記基体枠の中心軸と直交する面内の磁極の向きをそれぞれの組において同じにし、しかも前記基体枠の周方向に関して隣り合う組は互いに反対の磁極になるように構成し、
前記第２の多極永久磁石組体における前記複数の棒状永久磁石は、
前記第１の多極永久磁石組体において分割構成された前記Ｎ組の磁石組体と同じ磁極の組み合わせになるように、前記基体枠の中心軸と直交する面内の磁極の向きを同じにし、しかも前記端部枠の周方向に関して間隔をおいて隣り合う磁極は互いに反対の磁極になるように配置したＮ組の棒状永久磁石と、
これらＮ組の棒状永久磁石の間にあって磁極が前記端部枠の周方向を向きしかも該周方向に関して隣り合う磁極が互いに反対向きになるように配置したＮ組の棒状永久磁石とから成ることを特徴とするＥＣＲ用多極永久磁石装置。
【請求項２】
請求項１記載のＥＣＲ用多極永久磁石装置において、
前記基体枠の周方向に関して前記第１の多極永久磁石組体における前記複数の棒状永久磁石の隣り合う組と組との間に空間部を設け、
該空間部に対応する前記基体枠及び前記ヨーク体の部分にも空間部を形成するように構成したことを特徴とするＥＣＲ用多極永久磁石装置。
【請求項３】
請求項２記載のＥＣＲ用多極永久磁石装置において、
前記第１の多極永久磁石組体は、磁極数Ｎに応じて該基体枠の周方向に関してＮ組に分割構成している前記棒状永久磁石を、各組において複数の磁石群から構成し、各組では磁極を同方向に揃えたことを特徴とするＥＣＲ用多極永久磁石装置。
【請求項４】
請求項１記載のＥＣＲ用多極永久磁石装置において、
前記基体枠及び前記端部枠の外周面はそれぞれ、前記第１及び第２の多極永久磁石組体における複数の棒状永久磁石を固着する多角形状の平坦面に形成すると共に、前記基体枠及び前記端部枠の内周面は円筒化されていることを特徴とするＥＣＲ用多極永久磁石装置。
【請求項５】
請求項４記載のＥＣＲ用多極永久磁石装置において、
前記第１及び第２の多極永久磁石組体における前記棒状永久磁石は略四角形の断面形状を有し、同じ組に属する前記棒状永久磁石を隣接させて前記基体枠及び前記端部枠の平坦面に固着していることを特徴とするＥＣＲ用多極永久磁石装置。
【請求項６】
請求項１記載のＥＣＲ用多極永久磁石装置において、
前記基体枠の両端に設けた前記端部枠は前記基体枠の延長体となるように構成し、該基体枠と該延長体とを一体成形することを特徴とするＥＣＲ用多極永久磁石装置。
【請求項７】
請求項１記載のＥＣＲ用多極永久磁石装置において、
前記第２の多極永久磁石組体を構成する棒状永久磁石は略四角形の断面形状を有し、前記端部枠における外周面は、前記棒状永久磁石を固着する面が平坦面にされており、前記第２の多極永久磁石組体の外側にはこれとほぼ同じ長さの筒状の枠体を被せて成ることを特徴とするＥＣＲ用多極永久磁石装置。
【請求項８】
請求項７記載のＥＣＲ用多極永久磁石装置において、
前記枠体は、前記基体枠の外側に設けられたフランジ部材により前記基体枠の中心軸と一致されることを特徴とするＥＣＲ用多極永久磁石装置。
【請求項９】
請求項７記載のＥＣＲ用多極永久磁石装置において、
前記ヨーク体の外径を、前記枠体の外径よりも大きくしたことを特徴とするＥＣＲ用多極永久磁石装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は多極永久磁石装置に関し、特にＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）イオン源装置に適した多極永久磁石装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の多極永久磁石装置は、通常、円筒状の枠体に周方向に間隔をおいて永久磁石を組み付け、更にヨークを組合せることにより提供されている。この種の多極永久磁石装置では、永久磁石ブロックやヨークの配置を、多極永久磁石のどの断面でも同じでなく、場所に応じて変化させたい場合があり、多極永久磁石の外径も必ずしも一定にならない。従来の方法では、外径が変化するような場合、機械的強度を保ちながら、同時に小型の多極永久磁石を製作することは難しかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の多極永久磁石は、一体で削り出した外枠をたがとして、その内側に永久磁石ブロックを、石橋のアーチ構造のように互いのブロックが支え合うように配置し、接着剤で固定する方式である。このような多極永久磁石の問題点は、外枠を分割して構成すると機械的強度が低下することである。そして、外枠を分割により構成すると、時間の経過や使用条件によって接着力が劣化したとき、永久磁石の磁力が強力であるほどこわれ易く、断片が飛び散る場合もあり得る。
【０００４】
従来の方式では一体のたがを作れない場合、機械的強度が不十分になる。あるいは、機械的強度を維持するために、しっかりした接続用のフランジのようなものを取り付ける方法などがあるが、寸法が大きくなる。
【０００５】
そこで、本発明の課題は、機械的強度を保ちながら、半径方向の厚みが薄く小型にすることのできる多極永久磁石装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、プラズマチャンバの外側に配置した筒状の基体枠の外周面に該基体枠の中心軸方向に配置されるように複数の棒状永久磁石による第１の多極永久磁石組体を配設し、前記第１の多極永久磁石組体における前記複数の棒状永久磁石の外側にはこれとほぼ同じ長さの筒状の外枠体となるヨーク体を被せ、前記基体枠の両端に端部枠を設け、該端部枠の両外側には複数の棒状永久磁石による第２の多極永久磁石組体を配設し、前記第１の多極永久磁石組体を構成する棒状永久磁石により、前記基体枠の中心軸と直交する断面内において主磁気閉回路を形成し、前記第２の多極永久磁石組体を構成する棒状永久磁石により、前記端部枠の中心軸と直交する断面内において前記第１の多極永久磁石組体と同極の端部磁気閉回路を形成し、前記第２の多極永久磁石組体のそれぞれの外側部分に近接してミラー磁石を配置すると共に、両側の前記ミラー磁石の間に前記ヨーク体を介在させ、マイクロ波導入用の導波管との接続のために、前記プラズマチャンバ、前記基体枠及び前記ヨーク体の三重構成体に少なくとも１つの接続部を設けて導波管を接続し、該接続部は前記第１の多極永久磁石組体における棒状永久磁石間に位置させると共に、前記プラズマチャンバ、前記基体枠及び前記ヨーク体にはそれぞれそれらの中心軸方向に平行な長穴を形成し、且つ前記プラズマチャンバの長穴部分の前記接続部にはＲＦ窓を配設して前記プラズマチャンバの半径方向からマイクロ波を導入するようにし、前記第１の多極永久磁石組体における前記複数の棒状永久磁石は、磁極数Ｎ（Ｎは偶数）に応じて前記基体枠の周方向に関してＮ組の磁石組体に分割構成して、それぞれの組に属する棒状永久磁石は前記基体枠の中心軸と直交する面内の磁極の向きをそれぞれの組において同じにし、しかも前記基体枠の周方向に関して隣り合う組は互いに反対の磁極になるように構成し、前記第２の多極永久磁石組体における前記複数の棒状永久磁石は、前記第１の多極永久磁石組体において分割構成された前記Ｎ組の磁石組体と同じ磁極の組み合わせになるように、前記基体枠の中心軸と直交する面内の磁極の向きを同じにし、しかも前記端部枠の周方向に関して間隔をおいて隣り合う磁極は互いに反対の磁極になるように配置したＮ組の棒状永久磁石と、これらＮ組の棒状永久磁石の間にあって磁極が前記端部枠の周方向を向きしかも該周方向に関して隣り合う磁極が互いに反対向きになるように配置したＮ組の棒状永久磁石とから成ることを特徴とするＥＣＲ用多極永久磁石装置が提供される。
【０００８】
前記基体枠の周方向に関して前記第１の多極永久磁石組体における前記複数の棒状永久磁石の隣り合う組と組との間に空間部が設けられ、該空間部に対応する前記基体枠及び前記ヨーク体の部分にも空間部が形成される。
【０００９】
前記第１の多極永久磁石組体は、磁極数Ｎに応じて該基体枠の周方向に関してＮ組に分割構成している前記棒状永久磁石を、各組において複数の磁石群から構成し、各組では磁極を同方向に揃えて構成する。
【００１０】
前記基体枠及び前記端部枠の外周面はそれぞれ、前記第１及び第２の多極永久磁石組体における複数の棒状永久磁石を固着する多角形状の平坦面に形成すると共に、前記基体枠及び前記端部枠の内周面は円筒化される。
【００１１】
前記第１及び第２の多極永久磁石組体における前記棒状永久磁石は略四角形の断面形状を有し、同じ組に属する前記棒状永久磁石を隣接させて前記基体枠及び前記端部枠の平坦面に固着する。
【００１４】
前記基体枠の両端に設けた前記端部枠は前記基体枠の延長体となるように構成し、該基体枠と該延長体とを一体成形することが好ましい。
【００１５】
前記第２の多極永久磁石組体を構成する棒状永久磁石は略四角形の断面形状を有し、前記端部枠における外周面は、前記棒状永久磁石を固着する面が平坦面にされており、前記第２の多極永久磁石組体の外側にはこれとほぼ同じ長さの筒状の枠体を被せて構成される。
【００１６】
前記枠体は、前記基体枠の外側に設けられたフランジ部材により前記基体枠の中心軸と一致されることが好ましい。
【００１７】
前記枠体は、短い複数の略円筒状に分割されていても良い。
【００１８】
前記ヨーク体の外径は、前記枠体の外径よりも大きくすることが好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１、図２を参照して、本発明による多極永久磁石装置をＥＣＲイオン源装置に適用した場合に実施の形態について説明する。このイオン源装置は、筒状のプラズマチャンバ１０の外側に、ミラー磁場を作るために間隔をおいて配置された一対のミラー電磁石１１、１２と、プラズマチャンバ１０の外側であってミラー電磁石１１、１２の間に設けられた、本発明による多極永久磁石装置２０とを備えている。ミラー電磁石１１、１２はそれぞれ、ソレノイドコイルで実現される。なお、ミラー電磁石１１、１２はそれぞれ、複数の棒状永久磁石により構成されても良い。
【００２１】
プラズマチャンバ１０の側面には、導波路部を持つ接続部２１ａが設けられ、導波管１３が接続されてプラズマチャンバ１０内にその半径方向よりマイクロ波が導入される。導波管とプラズマチャンバとが接続される部分にはＲＦ窓２２ａがはさみ込まれる。ＲＦ窓２２ａはマイクロ波を大気中からプラズマチャンバ１０内に透過させるが、プラズマチャンバ１０の真空は保持する。このプラズマチャンバ１０側面のＲＦ窓２２ａの位置は、磁場構造上、プラズマの照射を受けにくく、従来のイオン注入機用のＥＣＲ型イオン源のようにプラズマチャンバ軸方向から導入する場合に比べて、汚れにくいという利点がある。ＲＦ窓２２ａは汚れると導電性になるので、マイクロ波が遮断され運転が続けられなくなる。
【００２２】
このようなＥＣＲイオン源装置においては、ミラー電磁石１１、１２と多極永久磁石装置２０によりプラズマチャンバ１０内に高磁場を形成すると共に、この磁場に適量のイオン生成用のガスと、２．４５（ＧＨｚ）のマイクロ波を導入することにより、ＥＣＲ加熱により電子が加熱され、プラズマが発生し、プラズマチャンバ１０の軸方向にイオンビームを生成することができる。２．４５（ＧＨｚ）のマイクロ波に対し８７５ガウスの磁場があると、電子のＥＣＲ加熱が起こる。
【００２３】
ミラー電磁石１２の端部には、イオン引出し用のケーシング４０−１が設けられ、ケーシング４０−１内には引出電極４０−２とアノード電極４０−３とが設けられている。
【００２４】
上述した磁場のもう１つのはたらきは、プラズマを効果的に閉じ込めることで、その結果イオン化効率が高まり、またＲＦ窓２２ａの汚染を減らすことにもなる。ミラー電磁石１１と多極永久磁石装置２０の方向へ広がろうとするプラズマは損失となり、ビームとしては引き出されず、不経済なので、強く閉じ込めておく。具体的にはミラー電磁石１１と多極永久磁石装置２０の発生する磁場の極大値はプラズマチャンバ１０内で、少なくとも８７５ガウス以上であることが必要であり、２キロガウス以上であれば理想的となる。２キロガウスは従来のイオン注入装置用のＥＣＲ型イオン源装置に比べておよそ２倍の値であり、ＲＦの導入を軸方向から行う場合、マイクロ波の伝播のためにプラズマチャンバ径が大きくなってしまうので、２キロガウスの強い磁場を発生させるのが実用上困難であった。一方、ミラー電磁石１２の磁場はミラー電磁石１１、多極永久磁石装置２０よりも弱くして、その方向にプラズマの逃げ道をつくっておく。これによって、プラズマ中のイオンはミラー電磁石１２の方向からプラズマチャンバ１０外へ取り出される。  図３、図４をも参照して、本発明による多極永久磁石装置２０について説明する。多極永久磁石装置２０は、４極永久磁石２３ａ〜２３ｄ（第１の多極永久磁石組体）とその外側に設けられた円筒状のヨーク２４とを含む。特に、この例では、４極永久磁石２３ａ〜２３ｄのそれぞれを、台形の断面形状を有する２本の棒状磁石を、幅広の方の底面を外側に向けて組み合わせて構成し、更に４極永久磁石２３ａ〜２３ｄを基体枠２６にリング状に組み合わせている。基体枠２６は、非磁性材料、例えばアルミで作られる。なお、４極永久磁石２３ａ〜２３ｄの磁極の向きは、プラズマチャンバ１０の中心軸方向に関して対向し合う磁極は同じ極とし、周方向に関して隣り合う磁極は互いに反対の極になるように配置される。
【００２５】
多極永久磁石装置２０は、上記の４極永久磁石２３ａ〜２３ｄに加えて更に、基体枠２６の両端からそれぞれプラズマチャンバ１０の中心軸方向に延びる複数の棒状磁石をリング状に組み合わせて成る２組の多極永久磁石２５−１〜２５−２（第２の多極永久磁石組体）を有する。多極永久磁石２５−１について言えば、ここでは１６本の棒状磁石を２本１組にして組み合わせて、８つの磁極２５−１ａ〜２５−１ｈを構成している。８つの磁極２５−１ａ〜２５−１ｈのうち、４極永久磁石２３ａ〜２３ｄに対応する磁極２５−１ａ〜２５−１ｄはそれぞれ、磁極の向きが４極永久磁石２３ａ〜２３ｄの磁極の向きと同じになるように配置される。また、磁極２５−１ａ〜２５−１ｄの間に配置されている磁極２５−１ｆ〜２５−１ｈはそれぞれ、磁極が周方向であってしかも反対向きになるように配置される。同様に、多極永久磁石２５−２においても、８つの磁極が構成されている。多極永久磁石２５−１〜２５−２の外側にはそれぞれ、非磁性材料による円筒状の枠体２７−１、２７−２が設けられる。
【００２６】
なお、２組の多極永久磁石２５−１、２５−２は、ミラー電磁石１１、１２とプラズマチャンバ１０との間に介在しており、ここにヨークがあるとミラー電磁石１１、１２によりプラズマチャンバ１０内に発生される磁場が小さくなるので、４極永久磁石２３ａ〜２３ｄに組み合わされるようなヨーク２４は設けない。いずれにしても、多極永久磁石装置２０に用いられる永久磁石は、磁化方向が磁極面に垂直で、すべて同じ強さの残留磁束密度を持つものを使用する。
【００２７】
なお、多極永久磁石２５−１は、不可欠ではなく削除されても良い。この場合、多極永久磁石２５−１を構成するために延長されている基体枠２６の端部（端部枠）は無くても良い。また、この両端部に対応する部分は、基体枠２６とは別体で構成されても良い。更に、基体枠２６の内側は円筒形状であるが、外側面については、４極永久磁石２３ａ〜２３ｄ及び多極永久磁石２５−１、２５−２を接着し易くするために接着箇所を平坦面にしている。このため、基体枠２６の外側は多角形状である。
【００２８】
なお、ヨーク２４の側面には、周方向に間隔をおいて４つの長穴２４ａ〜２４ｄが設けられている。これは、図２で説明した導波管の接続を４箇所の任意の箇所で行えるようにするためである。基体枠２６には長穴２４ａに対応する箇所にのみ長穴２６ａが設けられているが、導波管の接続箇所に応じて長穴２４ｂ〜２４ｄに対応する箇所に長穴２６ａと同様の長穴が設けられており、このため、基体枠２６における長穴２４ａに対応する箇所は勿論、長穴２４ｂ〜２４ｄに対応する箇所も空間部として４極永久磁石２３ａ〜２３ｄの設置領域から外されている。そして、基体枠２６において長穴が設けられる箇所は、多角形状の角部に対応する箇所であるが、長穴が設けられる場合には角部は研削される。
【００２９】
勿論、基体枠２６におけるヨーク２４の４つの長穴２４ａ〜２４ｄに対応する箇所にあらかじめ長穴を設けておいても良い。この場合には、プラズマチャンバ１０にも、基体枠２６の長穴に対応する箇所に長穴が設けられるが、プラズマチャンバ１０内の真空度を維持するために導波管１３が接続されない長穴は蓋板のようなもので塞ぐ必要がある。
【００３０】
図１に戻って、プラズマチャンバ１０の左端には、イオン生成用のガスの導入管２９が接続されている。プラズマチャンバ１０の右端は開放されてイオンビームの引き出し口とされ、プラズマチャンバ１０の開口にはイオンビームを照射部に導くためのガイド管（図示せず）が接続される。
【００３１】
このようなＥＣＲ用イオン源装置においては、一対のミラー電磁石１１、１２と多極永久磁石装置２０によりプラズマチャンバ１０内にミニマムＢ構造の高磁場を形成すると共に、この磁場にイオン生成用のガスと、２．４５（ＧＨｚ）のマイクロ波を導入することにより、プラズマチャンバ１０の軸方向にイオンビームを生成することができる。
【００３２】
このような多極永久磁石装置２０は以下のようにして作られる。はじめに、非磁性体材料による円筒状の基体枠２６が用意され、この基体枠２６の外側に４極永久磁石２３ａ〜２３ｄが接着されると共に、これらの両端側に多極永久磁石２５−１、２５−２が接着される。次に、これらの外側にヨーク２４が組み合わされ、更にヨーク２４の両端側における多極永久磁石２５−１、２５−２の外側には枠体２７−１、２７−２が設けられる。
【００３３】
ここで、基体枠２６の両端部に近い位置、すなわち、４極永久磁石２３ａ〜２３ｄの設置領域と多極永久磁石２５−１、２５−２の設置領域の境界部分にはそれぞれ、径方向に延びるフランジ部２６−１、２６−２が形成されている。特に、フランジ部２６−１の突出長は、フランジ部２６−２のそれよりやや大きくし、フランジ部２６−１に対応するヨーク２４の端部内周には周方向に切り欠き２４−１を設けている。これにより、フランジ部２６−１の先端は、ヨーク２４を組み付ける時の位置決めの機能を持つ。また、フランジ部２６−１、２６−２の外側の面には、枠体２７−１、２７−２の位置決めのための段差２６−１ａ、２６−２ａが設けられ、フランジ部２６−１、２６−２の内側の面には、４極永久磁石２３ａ〜２３ｄの加工上の段差２６−１ｂ、２６−２ｂが設けられている。
【００３４】
基体枠２６には、前述したように、接続部２１ａを設置するために、長穴２６ａが設けられている。また、基体枠２６の内側は円筒形状であるが、外側面については、４極永久磁石２３ａ〜２３ｄ及び多極永久磁石２５−１、２５−２を接着し易くするために接着箇所を平坦にしている。
【００３５】
ミラー電磁石１１、１２は、図示しない支持部材により支持されるようになっており、これらのミラー電磁石１１、１２の中央の円形空間に多極永久磁石装置２０が組み込まれている。次に、基体枠２６の内側にこれよりも十分に長い円筒状のプラズマチャンバ１０が組み込まれる。
【００３６】
上記の組立てに際して必要な条件を以下に列記する。
【００３７】
基体枠２６は削り出しによる一体のものとする。
【００３８】
基体枠２６の外周面は多角形の断面形状をもち、平坦化されている。
【００３９】
４極永久磁石２３ａ〜２３ｄ及び多極永久磁石２５−１、２５−２の配置が変化するときは、多角形の寸法も変更して良い。
【００４０】
ヨーク２５の位置決めをするために、基体枠２６の外周にフランジ２６−１、２６−２を作るが、作らない場合もある。フランジ２６−１、２６−２を作る場合の方法は以下の通りである。
【００４１】
１番目の方法は、フランジを基体枠２６の削り出しのときに同時に作る。
【００４２】
２番目の方法はフランジとなるリング状のものを後から基体枠２６にはめ込む。
【００４３】
３番目の方法は、段差２６−１ａ、２６−１ｂを持つ３点以上のスペーサを後から取り付けることにより構成する。
【００４４】
ヨーク２４は円筒状に仕上げる。
【００４５】
ヨーク２４の内側の面は略円柱状となるが、一部に切り欠き２４−１を入れておくことで、ヨーク２４の基体枠２６に対する軸方向の位置決めを簡単にすることもできる。
【００４６】
永久磁石は各面が平坦化されている。
【００４７】
ヨーク２４の中心軸は、基体枠２６のフランジとのはめあいで、基体枠２６の軸心と一致させる。
【００４８】
フランジを介して基体枠２６がヨーク２４の軸を決め、永久磁石ブロック２３ａ〜２３ｄ、２５−１ａ〜２５−１ｈはヨーク２４の軸出しには使わない。
【００４９】
以上のような多極永久磁石装置によれば、一対の適当なミラー電磁石１１、１２との組合せによりプラズマチャンバ１０内にミニマムＢ構造の高磁場が形成される。ミニマムＢ構造の磁場とは、良く知られているように、プラズマチャンバ１０内にＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）共鳴が生じ、しかもこのＥＣＲ共鳴の起こる領域がプラズマチャンバ１０内で閉じている閉じ込め磁場構造である。言い換えれば、プラズマチャンバ１０の内壁面とＥＣＲゾーンが交差しないということであり、このミニマムＢ構造の磁場は、空間中でＥＣＲ磁場ＢECR （２．４５ＭＨｚの場合、８７５ガウス）より弱いある１点から出発してどの方向にいってもプラズマチャンバ１０の内壁にぶつかる前にＢECR を横切らなければならないような磁場である。ここでいうＥＣＲゾーンとは、ＥＣＲ共鳴点が連続して面となったものである。
【００５０】
このような閉じ込め磁場においては、従来のマイクロ波型イオン源装置に比べれば、プラズマチャンバ１０内で発生しているプラズマの電子がプラズマチャンバ１０の半径方向へ散逸することが抑制され、電子の閉じ込め時間が延長されてＥＣＲ加熱作用により電子の加熱が促進されることにより、特にプラズマチャンバ１０内の真空度が高い場合、ガス原子に衝突した時に多価イオンを生成し易くなる。そして、このような多価イオンを含むすべてのイオンがプラズマチャンバ１０の半径方向へ漏れることが効率良く抑制されてプラズマチャンバ１０の内壁やＲＦ窓への付着が抑制される。これは、ＲＦ窓２２ａへイオンが付着することにより導電性を持ってマイクロ波の透過効率が低下することを抑制できることを意味する。
【００５１】
このように、イオンの閉じ込め効率が良くなると、プラズマチャンバ１０内に導入するガスの量を減らすことができ、プラズマチャンバ１０内の汚染の度合いを少なくすることができる。また、導入ガスが腐食性のガスであってもそのイオンがプラズマチャンバ１０の内壁に付着して内壁が腐食されることを抑制できる。これは、イオン源装置としての寿命が長くなることを意味する。
【００５２】
加えて、マイクロ波が導入される領域の多極永久磁石を４極永久磁石２３ａ〜２３ｄとすることにより、一対のミラー電磁石１１、１２とによる磁場との相互作用によってプラズマチャンバ１０の中心軸に直角に交差する細長い断面形状のイオンビームを生成することができる。このイオンビームの断面形状は、マイクロ波が導入される領域における多極永久磁石の極数に応じて変化することが知られている。因みに、６極の場合、断面形状は略三角形であり、８極の場合は、略正方形である。なお、プラズマチャンバ１０内に構成される磁場強度は、２キロガウス以上の磁場であることが好ましい。
【００５３】
次に、図５を参照して、一対のミラー電磁石１１、１２とヨーク２４の作用について説明する。プラズマチャンバ１０内に導入されるマイクロ波の周波数が２．４５（ＭＨｚ）の場合、磁場強度が８７５（ガウス）でＥＣＲ共鳴がおこることが知られている。ミラー電磁石１１、１２による磁場の絶対値｜Ｂ｜は、プラズマチャンバ１０の中心軸ｒ＝０においては図５（ｂ）のようになる。ＥＣＲ共鳴をおこさせるためには、ミラー電磁石１１、１２の間に図５（ｂ）に示すように、８７５（ガウス）において曲線が交差するような下側に凸の谷間を形成する必要がある。
【００５４】
ここで、ミラー電磁石１１、１２の内径に比べてこれらの間の距離が小さすぎると、磁場の絶対値｜Ｂ｜は８７５（ガウス）において交差するような下側に凸の谷間ができず、ＥＣＲ共鳴点が消滅してしまう。このために、ミラー電磁石１１、１２の間に円筒状の鉄製のヨーク２４を介在させて、ｒ＝０の付近にある磁力線を吸収させて谷間を下側に下げている。
【００５５】
なお、ミラー電磁石１１、１２と組み合わせる多極永久磁石は、ヨーク２４の内側になければプラズマチャンバ１０内に磁場をつくれないので、棒状磁石を用いて４極永久磁石２３ａ〜２３ｄを構成することでヨーク２４とプラズマチャンバ１０との間の薄い空間を利用して収容することができるようにしている。
【００５６】
次に、図６を参照して、４極永久磁石の磁場によるイオン閉じ込め作用の原理について説明する。図６においては、４極永久磁石間の磁力線を１本ずつ象徴的に示している。また、破線は磁場の絶対値｜Ｂ｜の等磁場強度域を示しており、中心に近くなるほど磁場の強度は円に近くなって等方的になるが、磁極に近付くにつれていびつになり等方的でなくなる。このような磁場内に存在する荷電粒子は、磁力線を中心に螺旋を描くように運動しながら磁極側へ移動しようとする。言い換えれば、荷電粒子はその回転中心が磁場強度の強くなる方へ移動しようとする。このような荷電粒子はまた、磁極に近付いて磁場強度が大きくなるにつれて反対方向へ動くようなはね返り作用を受ける。このはね返りの度合いは、初期の運動方向により決まり、磁場の強度比（図５（ｂ）を引用して言えば、曲線の谷間の最低値とピーク値との比）が大きいほどはね返りやすい。このような原理で、イオンの滞留時間が長くなるイオン閉じ込め作用が生ずる。一方、ＲＦ窓２２ａは、磁力線と平行になるような位置にあり、イオンは磁力線に直角な方向へは移動しにくいので、これがＲＦ窓２２ａへのイオンの付着が生じにくい一因ともなっている。
【００５７】
ところで、マイクロ波の周波数を２．４５（ＧＨｚ）とするのは、この周波数の発生装置が家庭用の電気製品、例えば電子レンジにおいて使用され、最も安価で提供されているからであり、この点を考慮しなくても良いのであれば、別の周波数でも良い。
【００５８】
以上、本発明を４極永久磁石の場合について説明したが、磁極数は４極に限らないことは言うまでも無い。また、ＥＣＲイオン源装置に適用する場合について説明しているが、本発明によるＥＣＲ用多極永久磁石装置は、上記の実施の形態に限らず、高い磁場を要求される、特にＥＣＲ共鳴を利用するような永久磁石装置全般に適用できることは言うまでも無い。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明した本発明による多極永久磁石装置によれば、以下のような効果が得られる。
【００６０】
永久磁石ブロックが石橋のようなアーチ構造でなくても、内側に外れてしまうことがない。
【００６１】
永久磁石ブロック同士を必ずしも密着させないので、面の角度などに細かな精度を必要としない。
【００６２】
基体枠の外周が平面で、ヨークの内面がカーブになっているので、円周方向にずれにくい永久磁石ブロック同士を必ずしも密着させないので、円周方向に永久磁石ブロックを離して配置できる。
【００６３】
永久磁石ブロック間の隙間の部分で基体枠、ヨークにそれぞれ長穴を開ければ、マイクロ波導入用の開口を半径方向に設けることができる。
【００６４】
開口を通してプラズマチャンバの半径方向から、ＲＦを導入することができ、たとえ永久磁石ブロックが剥がれても横にずれにくい。
【００６５】
ヨークがカバーとなって、永久磁石が剥がれても外側に飛び出すことはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したＥＣＲイオン源装置の構造を示す縦断面図である。
【図２】図１の線Ａ−Ａ´による断面図である。
【図３】本発明による多極永久磁石装置の好ましい実施の形態を示した図で、図（ａ）は一部断面側面図、図（ｂ）は図（ａ）の線Ｂ−Ｂ´による断面図、図（ｃ）は図（ａ）の線Ｃ−Ｃ´による断面図である。
【図４】図３に示されたヨークと基体枠及び枠体の側面図及び断面図である。
【図５】図１に示されたミラー電磁石とヨークの作用について説明するための図であり、図（ａ）は縦断面図、図（ｂ）は図（ａ）の距離Ｚに関しての磁場の絶対値強度｜Ｂ｜を示した特性図である。
【図６】図２に示された４極永久磁石の作用を説明するための図である。
【符号の説明】
１０    プラズマチャンバ
１１、１２    ミラー電磁石
１３    導波管
２０    多極永久磁石装置
２１ａ    接続部
２２ａ    ＲＦ窓
２３ａ〜２３ｄ    ４極永久磁石
２４    ヨーク
２５−１、２５−２    多極永久磁石
２６    基体枠
２７−１、２７−２    枠体
２９    ガスの導入管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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