(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第１の端の所に開かれた区域を有するプラズマ室（１）をもち、該プラズマ室（１）の開口区域（５）の全面積はＡ0であり、さらにイオン化用のガスのためのガス入口（２）および高周波コイル（３）を有する誘導結合型高周波電子源において、
プラズマ室（１）の内壁は少なくともその一部が電流源（６）と連結された伝導性区域（４）によって形成され、該伝導性区域（４）の全表面は表面の大きさがＡcであって表面ＡoとＡcの比は最大
【数１】
0003757156.tif 000011
但し式中
ｍoはイオン化するガスの質量、
ｍeは電子の質量、
ｅはオイラーの数である、
であることを特徴とする電子源。
【請求項２】
プラズマ室（１）に侵入する高周波コイル（３）の磁場の方向に対して垂直に伝導性区域（４）内を流れる電流が阻止されるように、伝導性区域（４）が少なくとも一カ所において切断されている(interrupted)ことを特徴とする請求項１記載の電子源。
【請求項３】
伝導性区域（４）はプラズマ室（１）の周方向において少なくとも１回切断されていることを特徴とする請求項２記載の電子源。
【請求項４】
プラズマ室（１）の伝導性区域（４）は伝導性を有するブッシュによって形成され、該ブッシュはプラズマ室（１）の周方向において少なくとも一つの切断部を備え、該切断部は実質的にプラズマ室（１）の長手方向に延びていることを特徴とする請求項３記載の電子源。
【請求項５】
伝導性区域（４）はプラズマ室（１）の少なくとも一つ  の端の区域においてプラズマ室（１）の長手方向において高周波コイル（３）よりも小さい寸法(dimention)であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか1項記載の電子源。
【請求項６】
伝導性区域はチタン、鋼、アルミニウム、タンタルから成る群から選ばれる金属材料から成っていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の電子源。
【請求項７】
伝導性区域は半導体から成ることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の電子源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも第１の端の所で開口区域を有するプラズマ室、並びにイオン化用のガスのためのガス入口および高周波コイルを備えた誘導結合型高周波電子源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
誘導結合型高周波電子源により、交流電場によって保持された自由電子はプラズマから引き出される(extract)。この電場は高周波電流が流された誘導コイルによって生成される。この交流電場によりプラズマの中に存在する電子は、プラズマ中の中性の原子と衝突した場合それをイオン化させることができる速度に加速される。イオン化の際に中性の原子から１個またはそれ以上の電子がさらに遊離して、電子の供給が連続的に生じる。生成したイオンはしばらくして、プラズマが保持された容器の壁或いはプラズマの中に浸漬された物体に衝突する。衝突した点の壁または物体の表面が電流源に電気的に連結されていれば、イオンは失われた負の電荷を再び取り込むことができ、これによって電荷の平衡が達成される。プラズマの中の自由電子は、例えばプラズマ容器の開口を通してその一部を取り戻すことができる。
【０００３】
この種の電子源は例えばイオン源に対する中和器の形で米国特許５，１９８，７１８号に記載されており、これは誘電体材料から形成された壁を有するプラズマ室により形成され、その周りを高周波コイルが取り囲んでいる。
【０００４】
誘導結合高周波型電子源の容器の中においてプラズマを保持するために必要な電力(power)の大部分は、プラズマから生じた高エネルギーの電子が容器の壁に衝突し、ここで再び原子と結合することによって失われる。この過程において電子は交流電場によって獲得したエネルギーの大部分を放出する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の課題は、電力要求(power requirement)を低減した電子源を提供することである。この課題は特許請求の範囲請求項１記載の特徴をもつ装置によって解決される。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に従えば、プラズマ室の内壁は伝導性を持つように設計され、電流源と電気的に連結されている。このことは該内壁の全表面またはその一部に当てはまる。さらに、プラズマ室の開口の断面は電子を引き出すのに適した寸法となっている。これによってプラズマの中に効率的に電子を静電封入(electrostatic inclusion)することができる。
【０００７】
従って本発明に従えば、少なくとも一つの第１の端において開いた開口部をもち、該開口区域の全面積がＡoであるプラズマ室、並びにイオン化用のガスのためのガス入口および高周波コイルを備えた誘導結合型の高周波電子源が提供される。この高周波コイルは種々の方法で配置し、また組み立てることができ、プラズマを十分に励起するのに適していることだけが要求される。高周波コイルは例えばプラズマ室の長手方向の線と同軸をなして配置するか、或いはプラズマ室の壁に隣接して螺旋状に配置することができ、また或いはプラズマ室の傍に円筒状のコイルとして配置することができる。この場合、高周波コイルはプラズマ室の外側または内側のいずれかに配置することができる。プラズマ室の内壁は少なくとも部分的に伝導性の区域によって形成され、この内壁は電流源に連結されている。伝導性区域は種々の方法、例えばプラズマ室の本体に伝導性の被覆をする方法、板またはブッシュ或いは同等物をはめ込む方法によって形成することができ、或いはプラズマ室自身が、少なくともその一部が伝導性の材料から成るようにすることができる。伝導性区域の全面積をＡcとすれば、面積ＡoとＡcの比は最大で
【０００８】
【数２】
0003757156.tif 000002
となる。ここで
ｍoはイオン化されるガスの質量、
ｍeは電子の質量、
ｅはオイラー（Ｅｕｌｅｒ）の数である。
【０００９】
好適な一具体化例においては、伝導性区域内で、電流がプラズマ室の中に侵入する高周波コイルの磁場の方向に対して垂直に流れるのを阻止するように、伝導性区域は少なくとも１カ所で切断されている。これによって、最終的には高周波場の励起作用を抑制するように作用し得る電流が、伝導性区域の中で高周波場によって誘起されるのを防ぐことができる。
【００１０】
特に、プラズマ室の周方向において伝導性区域は少なくとも１カ所切断されているようにする。このような方法は特に、高周波場が該周方向に対して実質的に垂直にプラズマ室の中に侵入する場合に適用することができる。このことは伝導性区域のどの場所でこれを観察するかとは無関係に、プラズマ室の周方向において常に一つの切断箇所が存在することを意味する。この切断は例えば非伝導性材料をはめ込むことによって形成することができ、或いはプラズマ室の内壁全体に対してではなく周方向において切断箇所ができるように伝導性材料を被覆することによって形成することができる。伝導性区域の周方向に切断部を形成することは、高周波コイルが伝導性区域の外側に配置されている場合に特に利点がある。この場合切断部は伝導性区域の中で周方向に電流が誘起されるのを妨げ、それによって高周波場がプラズマ室に侵入することを防止するであろう。切断部の幾何学的形状は、上記の要求を満たす限り、比較的自由に選ぶことができる。特に例えば高周波コイルによって生じる容量性の電場が伝導性区域から遮断されないように適当な大きさの幅の切断部を選ぶことができる。このような容量性の電場は例えばプラズマ室の内部でプラズマの点火を行なうのに利用することができる。
【００１１】
特定の場合として、プラズマ室の伝導性区域を伝導性をもったブッシュの形に形成し、このブッシュにはプラズマ室の実質的に長手方向に延びた切断部がプラズマ室の周方向において少なくとも１カ所備えられるようにする。またブッシュに例えば実質的にプラズマ室の長手方向に細長い溝穴(slot)が入れられ、その溝穴の方向が該長手方向に対して最大４５°傾くようにすることができる。
【００１２】
本発明のさらに他の態様として、伝導性区域は、プラズマ室の長手方向におけるプラズマ室の一つの端の領域が高周波コイルよりも小さい寸法(dimention)をもつようにすることができる。こうすればこの領域において高周波コイルは伝導性区域と重なり、伝導性区域に比べプラズマ室の少なくとも一つの端に接近して延びる。このような方法によれば、上記の方法の代わりに或いはそれに加えて、同様にして高周波コイルの容量性の電場がプラズマ室に十分侵入することができ、その遮断を防ぐのに十分な幅の広い切断部を得ることができる。
【００１３】
伝導性区域に対しては、原理的には電子源に関する要求およびその特定の用途範  囲に適した任意の適当な材料を選ぶことができる。特に伝導性区域は金属性の材料であるチタン、鋼、特にステンレス鋼、例えばオーステナイト、或いはアルミニウムまたはタンタルから成っていることができる。そのほか伝導性区域は半導体、特にシリコンまたはゲルマニウムから成っていることもできる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に添付図面の図１および２を参照して本発明の１実施形態を説明する。
図１および２はプラズマ室１の第１の端にある開口５（電子を引き出すための引き出し孔）、該プラズマ室１の第２の端にあるガス入口２、および高周波コイル３をもったプラズマ室１を示す。この高周波コイルはこの特定の例においてはプラズマ室の長手方向の線に対して同軸をなして配置され、図１の場合にはプラズマ室１の外側にあり、図２の場合にはプラズマ室１の内部に配置されている。しかし既に説明したように、他の適当な構成をもった高周波コイル３を用いることもできる。プラズマ室の内壁の一部には伝導性区域４が形成され、電子は電流源６に連結されている。このようなプラズマ室１はまた電子源として、例えばイオン源の中和器として用いることもできる。これに対する用途は特に宇宙技術におけるイオンエンジンであるが、勿論電子源の地上における用途も可能である。
【００１５】
高周波コイル３の高周波出力は殆どプラズマの電子によって吸収され、これはイオンに比べて質量が小さいために出力は殆どイオンに渡されることはできないから、プラズマ室１の中のプラズマは熱的に平衡状態にはない。そのため、電子の温度はイオンおよび中性粒子の温度に比べ１００倍より高い(by more than a hundred factor above)。
【００１６】
電子はイオンに比べ非常に軽く且つ高温であるから、プラズマが点火した際プラズマ室１の壁にはイオンに比べて明らかに多くの電子が衝突し、それによってプラズマ室１の壁には負の電荷が過剰になる。壁は負に帯電し、壁とプラズマの間には電位勾配が生じる。壁の近くにおける粒子の衝突を無視すれば、壁における電流のバランスは次のように記述される。
【００１７】
【数３】
0003757156.tif 000003
ここで
【００１８】
【数４】
0003757156.tif 000004
・  Ｊ［Ａ／ｍ2］  ：容器の壁の上の電流密度、
・  ｋ［Ｊ／Ｋ］  ：ボルツマン定数、
・  ｍo［ｋｇ］    ：イオンの質量、
・  ｍe［ｋｇ］    ：電子の質量、
・  ｎe［１／ｍ3］  ：電子密度、
・  ｑe［Ｃ］      ：単位電荷、
・  Ｔe［Ｋ］      ：電子の温度、
・  Ｕ［Ｖ］        ：プラズマとプラズマ室の壁との間の電位差
である。
【００１９】
式（１）の左辺の第１項は壁上の電流密度を表しており、第２項はイオンの電流密度である。Ｊは壁により放散される(die von der Wand abgefuehrt)電流密度である。絶縁された壁の場合Ｊ＝０である。式（１）をＵについて解くと次のようになる。
【００２０】
【数５】
0003757156.tif 000005
【００２１】
式（１）の第１項から電子の電流密度は或る与えられた電子温度においてプラズマの電位Ｕと共に指数関数的に減少することが分かる。これは電子の閉じ込めに利用される。この場合ＵはＪと共に単調に増加するから（式（２）と比較して）、プラズマ室１の壁の所における高い電流密度Ｊが与えられる。電流密度Ｊはプラズマ室１の伝導性内壁の区域４に対する引き出し孔５の面積比によって決定される。これに対しイオンの拡散を無視した場合、引き出される電子の電流Ｉexは次のように見積もられる。
【００２２】
【数６】
0003757156.tif 000006
【００２３】
ここでＡoは引き出し孔５の断面積を表す（図１参照）。カソードとして作用する伝導性の内壁の区域４の面積をＡc（図１参照）で表すと、Ｊは
【数７】
0003757156.tif 000007
のように表される。式（３）および（４）を（２）に代入し、
【００２４】
【数８】
0003757156.tif 000008
が得られる。
【００２５】
改善された電子の閉じ込めを行なうためには、プラズマの電位はさらにＡo／Ａcによって影響を受ける。Ａo／Ａcを大きく選ぶほどＵはより高くなり、代わりに、これによってさらに多くの電子を閉じ込めることができる（式（１）の第１項参照）。Ａo／Ａcの上限は関係式
【００２６】
【数９】
0003757156.tif 000009
によって設定される。この上限では式（５）の対数の引き数は０であり、特異点になる。物理的にはこれはＩexがカソード４のイオン飽和電流に対応する点に対応している（式（１）の第２項参照）。引き出し孔５がさらに大きくなった結果Ｉexが増加すると、単位時間当たり十分なイオンがカソード４に衝突しなくなるために、電荷の平衡は最早不可能になる。
【００２７】
従って本発明によれば、プラズマ中における広範囲な損失(loss)過程、即ちプラズマ室１の壁の所での高エネルギー電子の損失に対処することができる。この場合プラズマと壁との間には大部分の電子を遮る電位の勾配が形成される。本発明の場合のようにプラズマ室１の壁が同時に対応する伝導性区域４の形でカソードとなっていると、引き出し孔５の断面を適当に選ぶことによりこの電位勾配を増加させ、これによって電子の遮断（ないしは閉じ込め）は増強される。
【００２８】
引き出し孔５の断面はできるだけ大きく選ばれるが、その場合孔の断面積対カソードの面積の比は
【数１０】
0003757156.tif 000010
を越えないようにする。
【００２９】
カソード、即ち伝導性区域４は、電子を静電的に閉じ込めるその主要な機能の他に、さらに次の２つの条件を満たさなければならない。
１．プラズマに対して抵抗性をもち、許容される品質の低下範囲内で、必要とされる使用期間の間以上に長く使用されるものでなければならない。
２．高周波コイル３が外側に置かれている場合には、カソード４によって高周波電場をプラズマから遮断しなくてはならない。
【００３０】
宇宙技術に応用する場合には、このような電子源に関しては比較的強い要求がなされている。イオンエンジンに対する中和器としての用途では目下の所８，０００〜１５，０００時間の駆動時間が保証されなければならない。地上での用途では整備が可能であるために、この要求は著しく緩和される。プラズマはガスとして例えばキセノンのような希ガスを使用することができる。
【００３１】
宇宙技術の用途の場合、伝導性区域４即ちカソードに対する使用材料については次の点を考慮すべきである。
・  駆動の際にはエネルギーｑeＵで走行するイオンがカソードに衝突する。これは腐食の原因となる可能性がある。
・  電子源の温度は最高３００〜４００℃に達することができる。
・  高真空内において電子源が駆動されるから、原材料は十分に低い蒸気圧を示し、気化しないものでなければならない。
・  リーズナブルな価格で、カソードがプラズマ室の中に容易に配置されなければならない。
・  カソードは、このような電子源を備えた装置を輸送する際、宇宙空間への打ち上げの際の負荷に耐えなければならない。
【００３２】
特にこのような要求に適した幾つかの金属材料がある。
・  チタン
・  鋼、特にステンレス鋼（オーステナイト）
・  アルミニウム
・  タンタル
さらに半導体、例えばシリコンまたはゲルマニウムから成るカソードを用いることも考えられよう。
【００３３】
例えばカソード４を伝導性をもったブッシュの形で形成し、これをプラズマ室の本体の内部に配置してプラズマ室１の内壁の少なくとも一部を形成する。高周波コイル３を外側に配置し、プラズマ室１の内部に完全に閉鎖された良好な伝導性をもったブッシュがインストールされると、高周波電場の侵入を妨げる電流がブッシュの中に誘起される。周方向の電流を避けるためには、プラズマ室１の周方向、例えばコイルの軸に沿った方向においてカソード４を少なくとも１カ所で、例えば切れ目を入れて切断する必要がある。
【００３４】
ここで、プラズマ室１の周方向及び伝導性区域４の切断スリットは、図３，４，５により詳細に示される。図３は、プラズマ室１の内側の伝導性区域４を備えた、コイル３に包囲されたプラズマ室１の断面を示したものである。伝導性区域４は、周方向８において切断される。すなわち、コイル軸３の方向に延びるスリット７を設けることが好ましい。例えば、スリット７は図４に示すように、プラズマ室１の長手方向に延び、或いは、図５に示すように、プラズマ室１の長手方向に４５°の角度をなして設けられる。図４，５は、説明の簡略化のため、伝導性区域４のみを示し、プラズマ室１の残りの部分を省略している。
【００３５】
さらに点火過程を考慮しなければならない。即ちアイドリング操作を行なう際、従ってコイル３に電流が流れているがプラズマが燃焼していない時には、コイル３には数百ボルトの交流電圧がかかっている。プラズマを点火するためには、作業ガスと熱的に平衡にある少数の自由電子で十分である。これらの電子は、コイル３の交流電圧によってガスをイオン化するのに十分なエネルギーに加速されることができる。これによりこの過程に関与する二次電子が順次生成され、最終的にはプラズマを生じる電子雪崩(electron avalanche)が起こる。この過程は、コイルの両端の間に決定的な電場がかかっており容量性の電場の特性をもっているから、容量性の点火(capacitive ignition)と呼ばれている。従来言及されて来た誘導高周波場はプラズマを点火する状況では十分でない。このような場合プラズマの点火は上記の容量性の点火によって行なわれる。プラズマが点火された後、プラズマを加熱するために誘導高周波場が用いられる。
【００３６】
容量性の点火を行なう場合、カソード４によって容量性の電場を遮断しなければならない。さらに、カソード４の中の該周方向における切断部、例えば隙間を十分に広くして電場の部分的な侵入を許すか、或いは図１および２から分かるように、プラズマ室１の少なくとも一端においてカソード４をコイル３よりも幾分短くしなければならない。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、プラズマの中に効率的に電子を静電封入することができるので、電力要求を低減した誘導結合型高周波電子源を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】外側に配置された高周波コイルをもつプラズマ室の断面図である。
【図２】内側に配置された高周波コイルをもつプラズマ室の断面図である。
【図３】伝導性区域４を備え、コイル３に包囲されたプラズマ室１の断面図である。
【図４】伝導性区域４に、プラズマ室１の長手方向に延びるように設けられたスリット７を示す簡略斜視図である。
【図５】伝導性区域４に、プラズマ室１の長手方向に４５度の角度をなすように設けられたスリット７を示す簡略斜視図である。
【符号の説明】
１    プラズマ室
２    ガス入口
３    高周波コイル
４    伝導性区域（カソード）
５    プラズマ室の開口区域（孔）
６    電流源
【図１】
0003757156.tif 000012
【図２】
0003757156.tif 000013
【図３】
0003757156.tif 000014
【図４】
0003757156.tif 000015
【図５】
0003757156.tif 000016