３−５．超伝導体用液体金属イオン源

　超伝導体用液体金属イオン源として、Ｎｂ合金イオン源を開発した。Ｎｂは単体では融点は２４７１℃であるのでイオン源の運転温度からはかけ離れており、そのままではイオン源に利用できない。Ｎｂ−Ａｕ合金の状態図は図３−３に示すように液相線固相線ともＡｕの融点以下にはならない。したがって、Ａｕ単体よりも高温で運転する必要があり、Ｎｂの含有量が少ない領域であっても実用的なイオン源を構成することは困難である。Ｎｂ−Ａｕ合金にもう１元素（Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ）を混合して、実用的な温度範囲で運転できる３元合金イオン源を試みた^{２９〜３１）}。

　ＣｏはＮｂとの間で図３−１９に示すように二つの中間相をはさんでそれぞれの領域で共晶点はあまり低くはないが共晶型を示す。また、Ａｕとの間においても共晶点９９６℃の共晶型を示す。したがってＮｂ−Ａｕ−Ｃｏ合金は、運転可能な温度においてＮｂ含有量の多いイオン源を構成可能な候補の一つとなり得る。ＮｉもＣｏに近い性質を持ち、Ｎｂ−Ｎｉ合金は図３−２０に示すように中間相をはさんで共晶型、包晶型を示す。Ａｕ−Ｎｉ合金は液相線が９５０℃付近で極小値を示す全率固溶型であるので、Ｎｂ−Ａｕ−Ｎｉ合金はＮｂ−Ａｕ−Ｃｏ合金よりも若干液相面の温度が下げられる可能性がある。ＣｕはＮｂと図３−２１に示すように明らかでない部分を含むが包晶型を示しており、Ｃｕの多い領域において固相線はＣｕの融点に近い値（１０６０℃）をとる。Ａｕ−Ｃｕ合金は図３−４に示すように液相面が８８９℃の極小値をもつ全率固溶型であるので、Ｎｂ−Ａｕ−Ｃｕ合金は最も低温で運転できる可能性がある。しかし、Ａｕ、ＣｕともＮｂとは共晶型にならないために、運転温度によりＮｂの含有量が大きく左右されることが予想される。

図３−１９．Ｎｂ−Ｃｏ合金の状態図^３２）（横軸は重量％を示す）

図３−２０．Ｎｂ−Ｎｉ合金の状態図^３２）（横軸は重量％を示す）

図３−２１．Ｎｂ−Ｃｕ合金の状態図^２６）

　Ｎｂ２０−Ａｕ５０−Ｃｏ３０合金を原料として使用したＮｂ−Ａｕ−Ｃｏイオン源より引き出したビームの質量スペクトルの例を、図３−２２に示す^３０）。引き出しビーム電流値中のＮｂ^２＋ビーム電流値の割合は２０％におよび、量的には優れたＮｂイオン源であるが、運転温度は１２３０℃にも達する。このイオン源の問題点は、運転時間とともに液体金属がグラファイトの発熱体に付着し、運転条件が変動するために安定なビームの取り出しがごく短時間しかおこなえず、また寿命そのものも２０〜５０時間程度であることである。そのため、現状では実用に耐えるには至っていない。

　Ｎｂ−Ａｕ−Ｎｉ合金イオン源も同様な傾向を示す。Ｎｂ２０−Ａｕ４０−Ｎｉ４０合金を原料として使用したＮｂ−Ａｕ−Ｎｉイオン源の引き出しビームの質量スペクトル例を図３−２３に示す^３１）。Ｎｂ２＋ビーム電流値の割合は１４％程度あり量的には問題ない。しかし、運転温度は１２００℃程度であり、発熱体に対する付着の問題とそれにともなう不安定性、寿命の制限はＮｂ−Ａｕ−Ｃｏ合金イオン源と全く同様であった。これらのイオン源は、Ｎｂイオン源としてＮｂイオンの発生量においては優れていたが安定性、寿命において実用領域に達しなかったため、採用に至らなかった。しかし、次節において述べる磁性体用イオン源の開発に生かされた。

　Ｎｂイオン源として実用領域に達したのはＮｂ−Ａｕ−Ｃｕ合金イオン源である。原料としてＮｂ_１０−Ａｕ_５０−Ｃｕ_４０合金を使用したイオン源の引き出しビームの質量スペクトルを図３−２４に示す^{２９、３０）}。運転温度１０４０℃においてＮｂ^２＋ビーム電流値は引き出しビーム電流値のおよそ５％を占めている。イオン源の運転が可能な温度範囲は、９００〜１１００℃であるが、Ｎｂ^２＋の占める割合は図３−２５（図３−２４で用いたイオン源とは別のイオン源により測定した結果である）に示すように運転温度により１桁以上変化する。これは浸みだしてきた金属の局所的な組成が運転温度により変化することを示している。運転温度がＮｂ−Ａｕ−Ｃｏ合金イオン源よりも低いために、発熱体に対する金属の付着は顕著でなく、またビームの引き出しも安定であり、比較的低温（〜１０００℃）で運転することにより２００〜３００時間の寿命が得られている。しかし、浸みだし時の温度（１２００〜１３００℃）と比較して運転温度が低いために、引き出しビーム中にしめるＮｂ^２＋ビームの割合は長期的には減少する傾向がある。

　第４章以降に述べるＮｂ^２＋ビームを用いた実験には、Ｎｂ−Ａｕ−Ｃｕ合金イオン源を使用した。

図３−２２．Ｎｂ−Ａｕ−Ｃｏ合金イオン源の質量スペクトル例

図３−２３．Ｎｂ−Ａｕ−Ｎｉ合金イオン源の質量スペクトル例

図３−２４．Ｎｂ−Ａｕ−Ｃｕ合金イオン源の質量スペクトル例

図３−２５．Ｎｂ−Ａｕ−Ｃｕ合金イオン源のイオン組成と運転温度の関係