(57)【要約】【課題】プラズマ電子銃を用いた電子ビーム照射装置は、比較的大きな面積をシングルパルスで同時に照射するから、優れた表面改質結果が得られ、研削、放電加工の後工程に利用される。しかし、電子ビームパルスの深部貫入性と電子飛程により改質表面に現出する噴口（crater）の生成を防止するのは難しかった。そこでこの発明は前記噴口（crater）生成を抑制する電子ビームパルスの照射方法を提供する。【解決手段】前記プラズマ電子銃を用いた電子ビームパルスの先頭部が高い加速電圧で短い時間幅であり、この先頭部に連続して続く後続部の電子ビームパルスが、低い加速電圧で長い時間幅であるような階段状のエネルギ波形に制御されて照射されるようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子銃の軸心に沿ってカソード面とターゲット照射面を対向させ、前記両面に囲まれる空間の低圧電離気体をプラズマ化する手段と、前記軸心に平行する磁力線を作る手段と、カソードに直流高圧パルスを印加して前記プラズマを通してターゲット面に向けて電子ビームパルスを発射する金属表面改質方法において、
前記電子ビームパルスの先頭部が高い加速電圧で短い時間幅であり、連続する後続部が低い加速電圧で、長い時間幅であるような段階状のエネルギ波形の電子ビームパルスであることを特徴とする金属表面改質方法。
【請求項２】
電子銃の軸心に沿ってカソード面とターゲット照射面を対向させ、前記両面に囲まれる空間の低圧電離気体をプラズマ化する手段と、前記軸心に平行する磁力線を作る手段と、カソードに直流高圧パルスを印加して前記プラズマを通してターゲット面に向けて電子ビームパルスを発射する電源を備える装置において、
前記電源は高い加速電圧で短い時間幅のパルス電圧Ｐ１を印加するコンデンサＣ１と閉路スイッチＳ１よりなる回路（Ａ）と、
低い加速電圧で長い時間幅のパルス電圧Ｐ２を印加するコンデンサＣ２と閉路スイッチＳ２よりなる回路（Ｂ）とを備えており、
前記短幅のパルス電圧Ｐ１と長幅のパルス電圧Ｐ２が連続してカソードに印加される結果、前記回路（Ａ）により電子ビームパルスＱ１を生じ、連続して前記回路（Ｂ）により電子ビームパルスＱ２を生じ、階段状のエネルギ波形の電子ビームパルスＱ１２により金属表面の改質を行なうことを特徴とする金属表面改質装置。
【請求項３】
前記回路（Ａ）に電流センサを挿入し、前記閉路スイッチＳ１の閉路による前記回路（Ａ）のパルス電流を検出した信号を介して前記回路（Ｂ）の閉路スイッチＳ２を閉じることを特徴とする請求項２に記載の金属表面改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子ビームパルスを用いる金属の表面処理の分野であり、表面の清浄化、平滑化、鏡面化、アモルファス化などの表面改質技術の分野に属し、詳しくはプラズマ電子銃による電子ビームパルスの波形を改良して良質な改質面を得るための方法と装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来電子ビームの技術は溶接・描画・微細加工に多用され、ＰＶＤ（物理的な気相蒸着法）において、ターゲット金属物質の蒸発手段として用いられる例を除いては、直接的な表面改質に利用されることがなかった。近年になってプラズマ電子銃が開発されて低圧電離気体プラズマを通過する電子ビームパルスにより表面改質が行なわれるようになった。
【０００３】
図４は従来公知のプラズマ電子銃をもちいた表面改質装置の概略説明図である。
【０００４】
図４において、低圧の電離気体、たとえばＡｒを充填したハウジング４の内部に、数ｃｍ２の放射面積を持つカソード１と被照射体３が対向して置かれ、両者対向軸の空間に前記Ａｒガスをプラズマ化するためにグロー放電を起こさせる環状の電極２が同軸に浮設されている。ハウジング４の外側にソレノイド５が前記軸に平行な磁力線を作るべく設けられている。ハウジング内の気圧調整とＡｒ濃度の調整のため、排気ポンプ９、分子ポンプ１０、Ａｒボンベ８、電離真空計７、および切り替え弁９ａ、９ｂ、９ｃ、調節弁８ａが図示のように接続される。全体のシステムはコントローラ２０により統括制御される。
【０００５】
気体状態を０．１Ｐａ以下の指定状態に保った後、ソレノイド５を電源１５により励磁して前記磁力線を作り、次いでパルス電源１２により環状電極２に高圧パルスを印加してグロー放電を起こさせ前記対向空間をプラズマ化する。さらに次いで電子ビームパルス発射電源１１を起動してカソード１と被照射体３の間に数１０ｋＶの加速電圧パルスを印加すると電子ビームパルスが発射される。全体システムのシーケンスを進行させるためにソレノイド電流センサ５ｂ、プラズマ電流センサ２ｂ、カソード電流センサ１ｂが図示のように設けられ、夫々の信号５ｃ、２ｃ、１ｃをコントローラ２０に送信する。
【０００６】
プラズマ電子銃を用いた電子ビーム照射装置は比較的に大きな面積（約３０ｃｍ２）をシングルパルスで同時に照射するから優れた改質結果が得られ、研削、放電加工の後工程に利用されている。
【０００７】
プラズマ電子銃を用いた電子ビーム照射装置に用いられる電子ビームは、  ＬＥＨＣＥＢ（Low  Energy  High  Current  Electron  Beams）と略称されてこの技術の性格を端的に示している。この略称は従来一般的な真空中における収斂された電子ビームとのみ比較するものであり、他の方法、たとえば放電加工法と比べれば必ずしも低エネルギ・高電流ではない。電子ビームの金属表面に対する作用は量子的であり単なる熱作用でないことから現象は他と独立した考察を必要とする。
【０００８】
このＬＥＨＣＥＢを簡単に説明すると、カソード面とターゲット面を対向させた電子銃の内部に、Ａｒのような低圧電離気体を充填しておき、別の手段によりグロー放電を起こしてプラズマ化させる。また更に別の手段により前記対向面と垂直方向の磁力線束を生じさせる。このときカソード（陰極）とターゲット（陽極）の間に数１０ｋＶの直流高電圧パルス（パルス巾数μｓ）を印加すると、カソードからターゲットに向けて略カソード面と同じ断面積の束状の電子ビームパルスがターゲットに向けて発射される。この束状電子ビームパルスの面積当りエネルギは１０Ｊ／ｃｍ２前後に達する。
【０００９】
前記電子ビームパルス束の発生機構は、Ａｒプラズマとカソードの境界面に於ける電気二重層の高電位勾配で、急加速されたイオンがカソードから電子を叩き出し、Ａｒプラズマ内で電子雪崩を起こしながらターゲットに射突するものである。このとき両極間の空間電位はカソード前面での陰極降下が主であり、プラズマ空間および陽極での降下は少ない。したがってカソードとターゲットの中間で電子ビームパルス束の面積当りエネルギ（Ｊ／ｃｍ２）を測定すると殆ど変化がない。
【００１０】
ターゲットの表面は電子ビームパルスの照射を受けて溶解・気化して表面酸化物を除去清浄し、凹凸を溶解平滑化し、また表層をアモルファス（非晶質）化するなどの改質作用を行なう。
【００１１】
前段の電子ビームパルスによる表面改質のメカニズムについて考察してみる。一例としてプラズマ電子銃で２μＦのコンデンサを３０ｋＶに充電して、カソードからターゲットに電子ビームパルスを照射した場合には、放電エネルギは９００Ｊである。実験によると直径６ｃｍ（面積２８ｃｍ２）の円板をカソ−ドとするとき電子ビームの有効直径は約６センチになり、断面内の各点のエネルギ密度を測定して平均すると、約１０Ｊ／ｃｍ２程度であり、有効直径の外側には金属改質能力がない。有効な断面積は２８ｃｍ２であるから電子ビームパルスの総エネルギは２８０Ｊであり、９００Ｊの放電エネルギのうち約３０％に当たる２８０Ｊが、電子ビームのエネルギとなり、残余は発射の際の陰極損失になったことになる。有効であったエネルギを電子ボルトの単位で表現すると、
１Ｊ＝６．２４１×１０１８ｅＶ    であるから前記測定された電子ビームのエネルギ密度（約１０  Ｊ／ｃｍ２）を電子ボルトの単位で表すと、
１０  Ｊ／ｃｍ２＝６．２４１×１０１９ｅＶ／ｃｍ２−−−−−−−−（数１）
となる。
【００１２】
電子ビームが改質される金属表面に照射されると、露出した部分は溶解・気化して改質作用が施されるが、表面原子格子の網目に貫入する電子は深部でエネルギ交換をおこなって熱となり、深部の金属を溶解・気化噴出させ表面に墳口（crater）を生成する。
【００１３】
金属の格子間隔を１０−８ｃｍ程度とすると、電子の径（１０−１３ｃｍ）よりもはるかに大きいからエネルギを失うことなく貫入する。前段で計算した  （数１）により、貫入した電子ビームのエネルギを計算すると、数〜数百ｋｅＶと推定され、このエネルギが数μｍの深部で、周囲を溶解・気化噴出して噴口を作る。数〜数百ｋｅＶといえば熱量としては小さな値であるが、格子間隙の深部に貫入する電子ビームは、局部を気化噴出させて表面に噴口をつくる。この現象は電子ビームパルスの特異性であって、後段に述べる電子飛程（electron  penetration  range  depth）で、さらに補足するが他の加工法たとえば放電加工やレーザー加工によるcrater現象とは異なるメカニズムである。
【００１４】
前記電子ビーム照射装置による表面改質面は、平滑化、鏡面化、アモルファス化されて効果が認められるが、欠点として顕微鏡または肉眼で視認される墳口（crater）は、大きいものは数１０μｍの直径と数μｍの深さになる。噴口が生成される場所は特定されないが、材料が生産される際に施された圧延処理の残留応力線に沿って整列することは殆ど例外がなく、その成因が格子欠陥に起因することを強く示唆している。このような電子ビームの深部貫入性は、鋼鉄材の表面焼入れなどを目的とする場合には利点となるが、平滑表面や鏡面を求める場合には欠点となっている。
【００１５】
従来公知の絞られた電子ビーム加工では深部貫入性により電子飛程（electron  penetration  range  depth）まで電子が侵入し、金属を溶解し気化噴出して墳口（crater）を生成する。電子ビーム加工の微細限度を電子飛程以下には出来ないことはよく知られているが、本発明の電子ビームパルスによる改質面に出現する墳口の成因もこの電子飛程により無理なく説明ができる。
【００１６】
電子飛程（Ｒ）については、加速電圧（Ｖ）、密度（ρ）について
Ｒ＝２．２×１０−１２  Ｖ２／ρ（ｃｍ）−−−−−−−−（数２）
とされており、たとえば５ｋｅＶのエネルギが格子間隙に貫入するとき、鋼では約７μｍの深さまでいわゆる原子の温度を上昇させる。
【００１７】
プラズマ電子銃を用いた電子ビーム照射装置による金属表面の改質加工のプロセスは、数回〜数１０回の電子ビームパルスの照射によって目的を達成することが通常である。このプロセス（照射回数）の経過で表面は清浄化、平滑化、過焦化の過程を経る。
【００１８】
［清浄過程］
試料の表面は酸化膜に覆われ、凹凸の谷底には異物が沈んでいる。超音波洗浄などの方法ではでは除去し得ない異物、研削、バフ、ラッピングの砥粒などが剥落する過程である。最初の１〜２回の照射でこれらは除去される。この過程で表面は清浄化され活性化する。表面粗さを測定すると面粗さは逆に大きくなる。
【００１９】
［平滑過程］  
面荒さの凹凸の頂上部が融けて平滑化が進行する。平滑とは微視的な範囲であって大きな凹凸を均しくすることではない。元の大きな凹凸は残したまま鏡面化、アモルファス化が進行する。この過程で噴口（crater）が視認されるようになる。照射を繰り返す毎に小さな噴口（crater）は消えるものもあり、成長するものもある。この過程で得られた表面の性質は光沢を持ち耐錆力が強い。
【００２０】
［過焦過程］
かなり深く改質され表面の原形を失い、また金属結晶は粗大化して強度を失い、そのままでは部品として使えなくなってしまう。
【００２１】
【特許文献１】特許第３２０２２４４号公報
【特許文献２】特開２００３−１１１７７８号公報
【特許文献３】特開２００４−１０８６号公報
【特許文献４】特開２００７−５０１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
電子ビーム照射装置は、Ａｒのような不活性の電離気体を容器内でプラズマ化し、カソードからターゲットに向けて電子ビームパルスを発射するものである。このためにはプラズマ状態、容器内の磁力線、カソードに印加する高電圧パルスがそれぞれ適正な条件が満たしていなければならない。もし、各条件のうちの一つでも適正でなければ、電子ビームパルスは発射されず単なる気中放電に終わる。特に直流高電圧パルスが印加される前に、カソード前面とプラズマの境界に電位傾度の充分に大きい二重層が作られていることが、電子ビームパルス発生を確実にする条件である。
【００２３】
電子ビームパルスの発射までに前段のような制約があるため、波形、エネルギについて自由な選択を求めることは困難である。例えばパルス幅だけをとっても、高電圧直流回路中の複数の素子を可変にする回路では、切り替えスイッチ素子の選択やコストに制限を受ける。またパルスエネルギの大きさについては、カソードに印加するパルス電圧の下限に制約があるから、自由度が少ないという事情がある。そのため従来の表面改質装置では電子ビームパルスが発射できることが最優先条件となり、パルス波形、パルスエネルギを考慮する余裕がなかった。
【００２４】
先の段落番号〔００１２〕−〔００１７〕の部分で述べた墳口についての対策は、被照射体金属の特性に応じて前記電子ビームパルスの性格を選ばなければならないことを示唆している。その性格とは、パルスエネルギ、パルス時間幅、パルス波形などである。しかもその性格は電子ビームパルスの発生を可能とする範囲内であることが必要である。
【００２５】
本発明は前記墳口の発生の原因が、電子ビームの深部貫入性により電子飛程（electron  penetration  range  depth）まで電子が侵入し金属を溶解し気化噴出して墳口（crater）を生成することから、電子ビームパルスの波形を現象に則して変更することを提案するが、当然のこととして電子ビームが確実に発射できる条件をも併せて考慮した。
【００２６】
本発明の請求項１では、電子銃の軸心に沿ってカソード面とターゲット照射面を対向させ、前記両面に囲まれる空間の低圧電離気体をプラズマ化する手段と、前記軸心に平行する磁力線を作る手段と、カソードに直流高圧パルスを印加して前記プラズマを通してターゲット面に向けて電子ビームパルスを発射する金属表面改質方法において、
前記電子ビームパルスの先頭部が高い加速電圧で短い時間幅であり、連続する後続部が低い加速電圧で、長い時間幅であるような段階状のエネルギ波形の電子ビームパルスであることを特徴とする金属表面改質方法を提供して前述の課題を解決しようとしている。
【００２７】
本発明の請求項２では、電子銃の軸心に沿ってカソード面とターゲット照射面を対向させ、前記両面に囲まれる空間の低圧電離気体をプラズマ化する手段と、前記軸心に平行する磁力線を作る手段と、カソードに直流高圧パルスを印加して前記プラズマを通してターゲット面に向けて電子ビームパルスを発射する電源を備える装置において、
前記電源は高い加速電圧で短い時間幅のパルス電圧Ｐ１を印加するコンデンサＣ１と閉路スイッチＳ１よりなる回路（Ａ）と、
低い加速電圧で長い時間幅のパルス電圧Ｐ２を印加するコンデンサＣ２と閉路スイッチＳ２よりなる回路（Ｂ）とを備えており、
前記短幅のパルス電圧Ｐ１と長幅のパルス電圧Ｐ２が連続してカソードに印加される結果、前記回路（Ａ）により電子ビームパルスＱ１を生じ、連続して前記回路（Ｂ）により電子ビームパルスＱ２を生じ、階段状のエネルギ波形の電子ビームパルスＱ１２により金属表面の改質を行なうことを特徴とする金属表面改質装置を提供して前述の課題を解消しようとしている。
【００２８】
本発明の請求項３に於いては、前記回路（Ａ）に電流センサを挿入し、前記閉路スイッチＳ１の閉路による前記回路（Ａ）のパルス電流を検出した信号を介して前記回路（Ｂ）の閉路スイッチＳ２を閉じることによって、前記回路（Ａ）と回路（Ｂ）の連携動作を確実にすることを提案している。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
噴口生成のメカニズムを電子飛程の現象から考えると、電子ビームパルスの波形が大きな要因であることは疑いない。前記数式（２）で示されるように加速電圧は電子飛程の決定要素である。しかし、印加電圧を低めるか、パルス幅を狭めるかしてエネルギを小さくすれば、確かに噴口は抑制されるが改質能率が極端に低下してしまうか、あるいは電子ビームパルスの発射が不能になってしまう。そこで電子ビームパルスの波形を変えてはどうかという考えが浮かぶが、高電圧を扱うが故に、また電子ビームパルスの発射条件自体が多数の拘束を受けているが故に、単一の電源で波形の異形化は難しいとされていた。
【００３０】
電子ビームパルスの発射確率を高く維持し、他方において噴口の発生を抑制するには相反した条件を同時に満たさねばならない。一方は高電圧パルスの印加であり、他方は低電圧パルスの印加である。このように相反する条件を満たす方法として、「スタートパルスとして高圧短幅パルスを置き、続いて作用パルスとして低圧長幅パルスを置く波形」すなわち異形のパルスをカソードに印加することにより可能となる。
【００３１】
従来公知の電子ビーム照射装置では、カソードに印加する高電圧直流パルスは一つのコンデンサに充電された電荷を放電させていた。電子ビームパルスを安定に発生させるためには、カソードに印加する高電圧パルスは一定の限界以下には低められない。また一方、印加電圧を高めることは墳口を発生し易くし、また墳口の深さと口径を大きくする。
そこで本発明では従来と異なる異形なパルスとして二段階パルス波形を提案し、「スタートパルスとして高圧短幅パルスを置き、続いて作用パルスとして低圧長幅パルスを置く波形」とする方式によって表面改質を実行することにより墳口発生を抑制する。
【発明の効果】
【００３２】
この発明の電子ビームパルスを用いることにより、改質される金属表面に墳口が生ずることが抑制され、墳口が生じたとしても口径は小さく深さは浅くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
図１は本発明の具体的構成を示す説明図である。ハウジング４の内部にカソード１と被処理体ターゲット３が対向して配置され、ハウジング４の室内は排気ポンプ及び分子ポンプで構成される真空系２０により真空圧にされた後、Ａｒボンベ８からＡｒガスを吸引し０．１Ｐａ程度に保たれる。
【００３４】
このときハウジング４の外側に備えられたソレノイド５が、電源１５により励磁されると、カソード１と被処理体ターゲット３に挟まれる空間において軸方向の磁力線が作られ、プラズマを前記空間に閉じ込め保持する準備が整う。
低圧Ａｒガスをプラズマ化するために環状の反射放電電極２が設けられており、独立したパルス発生電源１２から前記環状電極とハウジング４の間に直流高圧パルスが印加されるとグロー放電が生じ、室内のＡｒガスが励起されプラズマ化する。カソード１と被処理体ターゲット３に挟まれる空間には軸方向の磁力線が作られているからプラズマが前記空間に閉じ込め保持される。
【００３５】
以上のように準備されたとき、カソード１と被処理体ターゲット３の間に直流高圧パルスを印加する電源９０によって電子ビームパルスを発生させる。本発明の改質方法および装置では、前記電子ビームパルスが改良され良質な表面が得られるようにされている。
【００３６】
図３は、電子ビーム表面改質に関する課題を解決するための方法及び装置における電子ビームパルス発生までの各要素の時間チャートである。横軸は時間を縦軸は各要素により電流（ｉ）、電圧（Ｖ）、エネルギ（ｅＶ）がとられている。
図（ａ）は、電子銃内に磁束をあたえるためのソレノイドによる励磁期間をしめすものである。
【００３７】
図（ｂ）は、電子銃内のプラズマを発生維持するための環状電極２からグロー放電を発生させる電源１２の作用期間を示すものである。
【００３８】
図（ｃ）は、回路（Ａ）が閉路スイッチＳ１の閉路によりスタートパルス電圧Ｐ１がカソード１に加えられる時機と電圧を示している。スタートパルス電圧Ｐ１は、電子銃内のプラズマ中で電子雪崩を引き起こすに充分な加速電圧であることが必要で、具体的な数値は印加電圧３０ｋＶ以上である。またスタートパルス電圧Ｐ１のパルス幅は、表面改質の品質を保つために短幅であることが望ましく具体的な数値は３μｓ以下である。
【００３９】
図（ｄ）は、回路（Ａ）に挿設された電流センサの出力信号であり、前記閉路スイッチＳ１の閉路による電流（カソード１からの電子ビームパルス）に感応した信号出力であり、作動時間の遅れを考慮した判断が加えられて回路（Ｂ）の閉路スイッチＳ２を作動させる。
【００４０】
図（ｅ）は、回路（Ｂ）が閉路スイッチＳ２の閉路により作用パルス電圧Ｐ２がカソード１に加えられる時機と電圧を示している。作用パルス電圧Ｐ２は被照射体３の表面改質に充分な電子ビームエネルギを供給する限度の加速電圧とされるべきで、当然パルス電圧Ｐ１よりも低電圧に選らばれ、具体的には１０ｋＶが望ましい。また作用パルス電圧Ｐ２のパルス幅は、表面改質の効率を高めるために出来るだけ長幅であることが望ましいのであるが、コンデンサＣ２の電荷の減少にともない端尾が物理的に終焉することもあるが、５μｓ以上持続することが望ましい。
作用パルス電圧Ｐ２の整形のために回路（Ｂ）にインダクタンス９８を挿入する。
【００４１】
図（ｆ）は、カソード１にかかる加速電圧パルス波形Ｐ１２であって、Ｐ１とＰ２が接続したものである。Ｐ１とＰ２は確実に連続するようにスイッチＳ２の作動タイミングがはかられる。
【００４２】
図（ｇ）と図（ｈ）は、電子銃カソード１から発射される電子ビームのエネルギを示すもので、図（ｇ）の電子ビームエネルギＱ１はＰ１に対応し、図（ｈ）の電子ビームエネルギＱ２はＰ２に対応している。
【００４３】
図（ｉ）は結果として得られる電子ビームのエネルギ波形Ｑ１２であり、前記Ｑ１とＱ２が連結したものである。
【００４４】
図２は、前段の異形パルスを作るための電源９０の説明図である。電源９０は、回路Ａと回路Ｂと図示しない操作回路からなっている。
電子ビームパルス（Ｐ１２）は異形のパルスの波形を説明するもので、先頭部分（Ｐ１）と作用部分（Ｐ２）からなる階段状の異形パルス波形になっている。
【００４５】
回路Ａは図３（ｃ）で説明した先頭部分（Ｐ１）を作る回路であり、直流電源９１と充電抵抗９２により充電されるコンデンサＣ１と、閉路スイッチＳ１と被照射体３とカソード１で作られる回路である。
また回路Ｂは図３（ｄ）で説明した作用部分（Ｐ２）を作る回路であり、直流電源９５と抵抗９６により充電されるコンデンサＣ２と、閉路スイッチＳ２と被照射体３とカソード１で作られる回路である。
【００４６】
図３（ｆ）のカソード加速電圧パルス（Ｐ１２）をつくるために、カソード１に印加する高電圧パルス発生電源９０出力パルスは、先頭部分（Ｐ１）と作用部分（Ｐ２）からなる階段状の異形パルス電圧波形であり、
高い加速電圧で短いパルス幅の先頭部分（Ｐ１）を回路Ａでつくり、低い加速電圧で長いパルス幅の作用部分（Ｐ２）を回路Ｂでつくり、回路Ａを閉じて電子ビームを発射したのち連続して回路Ｂを閉じると、階段状の異形パルス波形の電子ビーム波形（Ｑ１２）を得ることができる。
【００４７】
回路ＡとＢには、ダイオード９３と９７がそれぞれ挿入され干渉と逆流を抑えている。また回路Ａには電流センサ９４を備えこのセンサ出力を介して回路ＢのスイッチＳ２を閉じる。また、必要に応じ、回路Ｂにインダクタンス９８を挿入してパルス幅を延長する手段とする。
【００４８】
この明細書においてプラズマ電子銃とは次のように定義される。電子ビーム照射装置の電子銃部分であり、Ａｒのような不活性の電離気体を充填する容器内に数ｃｍ２以上の放射面を有するカソードとターゲット（被処理体）が同軸に対向して配置され、電離気体をプラズマ化するための中空環状電極が設けられ、容器内に前記軸に平行な磁力線を作るソレノイド備えている電子銃である。
【００４９】
前記電離気体の気圧を０．１Ｐａ以下の指定気圧に保つこと、および磁力線を用意した後、環状電極と容器の間にグロー放電を発生させると前記電離気体がプラズマ化する。そのときカソードとターゲット間に数ｋＶ以上の直流高電圧パルスを印加すると、カソード放射面から電離気体プラズマを通過してターゲットに電子ビームパルスが照射される。電子ビームパルスの断面積は数ｃｍ２以上であり、面積当たりのエネルギは一回のパルスあたり数  Ｊ／ｃｍ２の値となる。
【００５０】
電子ビームパルスの面積当たりのエネルギの測定は、試料金属の表面に電子ビームパルスを照射してその温度上昇から熱量を計算して求める。
カソードとターゲットの中間位置で（プラズマ密度と磁束が変化しないならば）面積あたりのエネルギは一定の値である。
【００５１】
電子ビームパルスの発生機構は次のようなものと考えられる。図２においてコンデンサに電荷が蓄えられるとカソード前面とプラズマの間に電気二重層が作られ非常に大なる電位傾度で待機していることになる。時機をみてスイッチ（例えばガススイッチ）を閉じると電荷が加速電圧に応じて電子ビームとなって放出されるから、大きな陰極損失があるが、プラズマ空間と陽極では損失が少ない。これがプラズマ空間で面積あたりのエネルギが一定の値になる理由である。
【００５２】
プラズマ電子銃では、カソード前面の電気二重層が、電子ビーム発射機構の要素になっているから、最初の加速電圧の値は高いことが望ましい。他方においてターゲット金属表面の墳口の抑制のためには加速電圧が低いことが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の具体的構成を示す説明図。
【図２】本発明の異形パルスを作るための電源９０の説明図。
【図３】図１の装置の作動シークエンスを説明する波形図。
【図４】従来例のプラズマ電子銃を用いた表面改質装置の概略説明図。
【符号の説明】
【００５４】
１、カソード
２、環状の電極
３、被照射体、被処理体
４、ハウジング
５、ソレノイド
８、Ａｒボンベ
１２、グロー放電用パルス電源
１５、ソレノイド電源
９０、電子ビームパルス発射電源
２０、コントローラ
【図１】
2009167483.tif 000003
【図２】
2009167483.tif 000004
【図３】
2009167483.tif 000005
【図４】
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