JP2011095154A - イオンビーム分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】対象試料を実条件に近い状態で計測でき、且つ、単純な構成のイオンビーム分析装置を提供することを目的とする。
【解決手段】試料３に向けてイオンビーム６を照射するイオンビーム照射手段１と、該イオンビーム照射手段１に接続され、前記イオンビーム６の通路となる低圧部２と、該低圧部２の外部に配置されて、前記試料３に前記イオンビーム６が照射されるよう試料３を保持する試料保持手段と、前記イオンビーム６によって前記試料３から放射された放射エネルギーを検出する検出手段４とを備え、前記低圧部２が、イオンビーム６の出口部分となる開口部を有し、該開口部には、隔壁部材５が前記低圧部２の内部を気密保持可能に設けられ、前記隔壁部材５が、イオンビーム透過性を有し、且つ、前記低圧部２の内外の圧力差に耐えうる強度を有する材料からなるイオンビーム分析装置１０。
【選択図】図１

Description

本発明は、イオンビーム分析装置に関し、特にイオンビームを用いた水素分析装置に関するものである。

従来、加速器によって得られるイオンビームを試料に照射し、発生するγ線、α線、中性子等の放射エネルギーを検出することによって当該試料を分析するイオンビーム分析法が知られている（特許文献１、非特許文献１参照）。
このイオンビーム分析の一つとして、^１５Ｎ（ｐ，αγ）^１２Ｃの共鳴核反応を用いた軽水素分析が知られている（非特許文献１参照）。
具体的には、共鳴エネルギーである６．３８５ＭｅＶ以上まで加速器によって加速された単色^１５Ｎイオンビームを、１×１０^−５Ｔｏｒｒ（１．３３×１０^−３Ｐａ）以下の高真空とされた真空チャンバー内に設置された試料に照射する。すると、試料内に存在する軽水素との共鳴核反応が生じ、γ線が放射される。このγ線を検出することによって軽水素の定量を行う。この共鳴核反応は、共鳴エネルギー幅が狭い（１．８ｋｅＶ）ので、選択的に軽水素を測定できるという利点を有している。

さらに、試料中で^１５Ｎイオンビームのエネルギーが減少することを利用して、試料の深さ方向の軽水素分布を測定することも行われている。つまり、^１５Ｎイオンビームが試料内部を進行すると、^１５Ｎイオンビームはエネルギーを失い減衰する。そして、減衰した^１５Ｎイオンビームが共鳴エネルギーである６．３８５ＭｅＶとなった深さ位置で共鳴核反応を生じる。^１５Ｎイオンビームの試料中における減衰率が既知であれば、共鳴核反応が生じた深さ位置を特定できるので、この位置での軽水素を定量することができる。
したがって、試料に入射させる^１５Ｎイオンビームのエネルギーを変化させて測定を行えば、試料の深さ方向における軽水素分布が得られることになる。

以上のような共鳴核反応法は、例えば燃料電池に用いられる水素透過膜の分析や様々な新素材の水素分布の計測などに利用される。

特許第３９５８２９９号公報（請求項３、図１）

Ｄ．Ｓｅｋｉｂａ，ｅｔ.ａｌ，"Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｍｉｃｒｏ−ｂｅａｍ ＮＲＡ ｆｏｒ ３Ｄ−ｍａｐｐｉｎｇ ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ ｓｏｌｉｄｓ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔａｐｅｒｅｄ ｇｌａｓｓ ｃａｐｉｌｌａｒｙ ｔｏ ６ ＭｅＶ １５Ｎ ｉｏｎ"，Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｂ ２６６，２００８，ｐ．４０２７−４０３６

イオンビームを試料に照射するためには、試料を高真空下に配置する必要がある。しかし、イオンビーム照射によって計測される対象である水素は、拡散しやすい元素であり、高真空下に試料を曝すと水素が試料から拡散・脱離してしまい、水素分布が変化してしまう恐れがある。そのため、試料中の真の水素分布を捉えることができず、当該分析技術分野の適用範囲を非常に狭くしていた。上記のような理由から、実際に試料が使用される条件（以下、実条件と称する。例えば水素透過膜の実条件は、１気圧（１．０１３×１０^５Ｐａ）。）で、試料の水素分布を計測できる技術が求められている。

そこで、本発明者らは、特許文献１で開示されているイオン分析装置を発明した。イオン分析装置は、収容容器内に、計測対象の試料が雰囲気ガスを実条件で導入した環境下に設置してある。イオンビームの引き出し口は、高真空であることが必要である。そのため、排気室を多段に構成し、差動排気させることによって、水素の計測を行う。しかしながら、上記のような装置は、必要な真空度を得るために多くの排気ポンプを備えるため、装置構成が大掛かりになる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、対象試料を実条件に近い状態で計測でき、且つ、単純な構成のイオンビーム分析装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、試料に向けてイオンビームを照射するイオンビーム照射手段と、該イオンビーム照射手段に接続され、前記イオンビームの通路となる低圧部と、該低圧部の外部に配置されて、前記試料に前記イオンビームが照射されるよう試料を保持する試料保持手段と、前記イオンビームによって前記試料から放射された放射エネルギーを検出する検出手段とを備え、前記低圧部が、イオンビームの出口部分となる開口部を有し、該開口部には、隔壁部材が前記低圧部の内部を気密保持可能に設けられ、前記隔壁部材が、イオンビーム透過性を有し、且つ、前記低圧部の内外の圧力差に耐えうる強度を有する材料からなるイオンビーム分析装置を提供する。

本発明によれば、試料は低圧部の外部で試料保持手段によって保持されているため、実条件に近い環境に試料を配置することができる。イオンビームが引き出されるのに必要な低圧部（真空領域）と、試料が存在する実条件とを隔壁部材で隔てることができるため、装置の構成を単純化することができる。このようなイオンビーム分析装置では、水素分布を変化させずに試料内の水素を定量することができる。隔壁部材は、イオンビーム透過性を有するため、イオンビームを試料に照射させることが可能である。また、低圧部の外部が実条件環境である場合、低圧部の内外では圧力差が生じる。そのため、隔壁部材は低圧部の内外の圧力差に耐えうる強度（すなわち、隔壁部材が破壊されずに圧力差を保つことのできる強度）を有し、低圧部の内部の気密性を保持できるように設けられる。

上記発明において、前記隔壁部材の前記イオンビームが通過する少なくとも一方の面が、導電性金属を含む補強材で被覆されていることが好ましい。
低圧部の開口部に設けた隔壁部材のイオンビームが通過する面を導電性金属で被覆することによって、以下の効果が得られる。（１）イオンビームによるチャージアップが避けられる。（２）機械的強度が増加する。（３）イオンビームが照射された部分の局所的温度上昇と、それに伴うストレスの発生が抑えられる。これによって、隔壁部材の耐久性を向上させることができる。

上記発明において、前記試料を収容するとともに、ガスが導入可能とされた収容容器を更に備えても良い。
例えば、収容容器内に水素ガスを導入すると、試料の内外で水素が平衡状態となり、試料内の水素分布の変化を抑制することができる。導入するガス種を定めることにより、イオンビームが低圧部を出てから試料に到達するまでのイオンビームのエネルギーの減衰を予測することができる。導入するガスの質量数を小さくすることで、イオンビームが試料に到達するまでのエネルギーの減衰を抑制することができる。

上記発明において、前記収容容器が、前記試料のイオンビーム被照射面に面した照射側部屋と、前記イオンビーム被照射側の反対側の裏面に面した裏面側部屋とに区画され、前記照射側部屋にはガスが導入され、前記裏面側部屋は低圧とされていても良い。
計測対象を含む試料がパラジウム等の水素透過膜である場合、照射側部屋に水素ガスを導入しながら、裏面側部屋を低圧とすることで、パラジウム中を透過する水素の深さ分布を計測することができる。

本発明によれば、低圧部の開口部に隔壁部材を設けることで、対象試料を実条件に近い状態で計測できるイオンビーム分析装置の構成を単純化することができる。また、隔壁部材を導電性金属で被覆することによって、隔壁部材の耐久性を向上させることができる。

第１実施形態に係るイオンビーム分析装置の部分概略図である。 第２実施形態に係るイオンビーム分析装置の部分概略図である。 イオンビームエネルギーと水素濃度との関係を示すグラフである。 第３実施形態に係るイオンビーム分析装置の部分概略図である。 第４実施形態に係るイオンビーム分析装置の部分概略図である。

以下に、本発明に係るイオンビーム分析装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。
〔第１実施形態〕
図１に、本実施形態に係るイオンビーム分析装置１０の部分概略図を示す。イオンビーム分析装置１０は、イオンビーム照射手段１と、低圧部２と、試料３を保持する保持手段（図示せず）と、放射エネルギーを検出する検出手段４とから構成されている。

イオンビーム照射手段１は、イオン源１ａと加速器１ｂとを備え、^１５Ｎや^７Ｌｉなどのイオンビームを試料に向けて照射する。イオンビーム照射手段１は、加速器１ｂのビーム引き出し口が真空となるよう低圧部２に接続されている。

低圧部２には、図示しないターボ分子ポンプ等の排気手段が接続され、低圧部２の内部が１×１０^−５Ｔｏｒｒ（１．３３×１０^−３Ｐａ）以下の高真空環境とされる。低圧部２は、イオンビーム６の通路となり、イオンビーム６の出口部分となる開口部を有する。該開口部には、低圧部２の内部の気密性が保持されるように、隔壁部材５が設けられている。

試料３は、低圧部２の外部に、イオンビームが照射されるよう保持手段で保持されている。試料３は、実条件下、本実施形態においては大気圧下に配置されている。試料３としては、例えば、水素脆化部材、水素イオン交換膜、水素吸蔵合金が挙げられる。

隔壁部材５は、イオンビーム透過性が高く、且つ、低圧部２の内部と試料が配置される実条件との圧力差に耐えうる機械的強度を有する材料からなる。例えば、ＳｉＮ（シリコンナイトライド）やグラファイト等が挙げられる。ＳｉＮを用いる場合、隔壁部材５の厚さは５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とする。厚さを５０ｎｍ以上とすることで、１枚でも低圧部２の内部と実条件との圧力差に耐えることができる隔壁部材５となる。また、厚さを２００ｎｍ以下とすることで、イオンビーム６が隔壁部材５内を通過する際のイオンビーム６の減衰を少なくすることができる。隔壁部材５は、イオンビーム６が通過するのに必要であり、且つ、所望の耐久性が得られる大きさとする。例えば、出口径が５０μｍのガラスキャピラリーからイオンビーム６を出射した場合、隔壁部材５の大きさは、１ｍｍ×１ｍｍとする。
試料３と隔壁部材５との距離は、試料３と隔壁部材５との間に存在する雰囲気ガスによるイオンビーム６の減衰を抑えるため、数ｍｍとされる。

検出手段４は、試料３の近傍に配置されており、照射されたイオンビーム６が試料内の水素と共鳴核反応して放出されるγ線を検知する。検出手段４としては、例えば、Ｇｅγ線検出器、ＮａＩシンチレータ、Ｂｉ_４Ｇｅ_３Ｏ_１２（ＢＧＯ）シンチレータが用いられる。

次に、上記構成のイオンビーム分析装置１０を用いた計測方法について、軽水素の計測方法を例に挙げて説明する。
まず、保持手段に試料３を設置する。ターボ分子ポンプを用いて低圧部２内を１．３３×１０^−３Ｐａ以下まで真空排気する。

次に、加速器１ｂを稼働させて、６．３８５ＭｅＶ以上の単色^１５Ｎイオンビームを試料３に向けて照射する。この際、照射された^１５Ｎイオンビームは、低圧部２内、隔壁部材５、及び雰囲気ガス（大気）を順に通過して、試料３に到達する。^１５Ｎイオンビームが照射されると、試料３内に吸着されて存在する水素に共鳴エネルギー６．３８５ＭｅＶが吸収されて^１５Ｎ（ｐ，αγ）^１２Ｃの共鳴核反応が生じ、γ線が放出される。この放出されたγ線を検出手段４によって検出し、γ線量に基づいて、図示しない演算手段によって水素を定量する。この際、雰囲気ガス内を通過する際の^１５Ｎイオンビームのエネルギーの減衰量を予め計測しておき、対照とする。

上記共鳴反応は、共鳴エネルギーが１．８ｋｅＶ以下の鋭い共鳴反応なので、次のような深さ分布を計測するのに適している。
照射する^１５Ｎイオンビームのエネルギーと、予め得られている試料３内における^１５Ｎイオンビームの減衰とから、照射エネルギーと試料３内で共鳴核反応が生じる深さとの関係を計測しておく。そして、^１５Ｎイオンビームの照射エネルギーを出力制御手段（図示せず）によって深さ方向にスキャンさせながら共鳴核反応によって放出されるγ線を計測し、各深さ方向における軽水素を定量する。

本実施形態によれば、隔壁部材１枚で低圧部２と試料３が配置されている実条件とを隔てることができるため、装置の構造を単純化することができる。

なお、試料３は、ガスが導入可能とされた収容容器に収容されていても良い。この場合、収容容器はイオンビーム６の入口部分としての開口部を有する。該開口部は、低圧部２のイオンビーム６の出口部分の開口部と、隔壁部材５を介して接続されている。収容容器には、図示しないガス供給源が接続されており、雰囲気ガスが導入されている。雰囲気ガスとしては、例えば、大気、水素、重水素、ヘリウム、アルゴン、酸素，水蒸気などが挙げられる。雰囲気ガスは、質量数が小さいものほどイオンビーム６の減衰を抑制することができる。雰囲気ガスは、測定対象試料に応じて適宜選択され、所定の圧力で導入される。

（隔壁の耐久性評価）
１ｍｍ×１ｍｍ×厚さ１００ｎｍのＳｉＮを隔壁部材５として用い、イオンビーム分析装置１０を作製した。本実施形態に係るイオンビーム分析装置を繰り返し作動させ、隔壁部材５が破損し、低圧部２内部の真空が保てなくなるまでの隔壁部材５に付与されたイオンビーム量を積算した。付与したイオンビーム量は、加速器１ｂの設定値を用い、電流×時間として算出した。
第１実施形態に係るイオンビーム分析装置の隔壁は、総イオンビーム付与量が１０１μＣとなるまで、破損せずに使用することができた。

〔第２実施形態〕
図２に、本実施形態に係るイオンビーム分析装置２０の部分概略図を示す。イオンビーム分析装置２０は、第１実施形態に係るイオンビーム分析装置１０の隔壁部材５に補強材８を設け、試料３をガスが導入可能とされた収容容器７内に収容すること以外は、第１実施形態と同様の構成である。

補強材８は、導電性金属からなり、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕなどが挙げられる。補強材８は、隔壁部材５の収容容器７が接続される側の面を被覆するよう設けられる。被覆方法は、蒸着、スパッタ法、電気めっきなどの周知の方法を用いる。Ａｕを被覆する場合、Ａｕの厚さは５ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすることが好ましい。

（水素分布の計測）
基板として１０ｍｍ×１０ｍｍのＳｉを用いた。線状（幅１００μｍ）のＹ薄膜が間隔（２００μｍ）をあけて平行に配列されるように、基板面をＳＵＳ３０４（コーケン化学（株）製、１００μｍ厚）でマスクし、Ｙ薄膜（膜厚：８０ｎｍ）を製膜した。Ｙ薄膜製膜後、マスクを剥してパターン化させたＹ薄膜とした。その上からＰｄ薄膜（膜厚：８０ｎｍ）を製膜し、試料３とした。製膜は、イオン・ビーム・スパッタ法（Ａｒ、３×１０^−２Ｐａ、１ｋｅＶ、１８ｍＡ）にて行い、イオンソースとしてＩＯＮ−ＴＥＣＨ社製３ｃｍイオンソースを用いた。膜厚は、水晶振動子を用いて評価した。

上記試料を１気圧の水素雰囲気中に１２時間曝露させ、その後、試料３をＰａ薄膜がイオンビーム被照射面となるよう保持手段に保持させた。雰囲気ガスとしてＮ_２を用い、収容容器７内にそれぞれ１００ｈＰａ、３００ｈＰａ、７００ｈＰａ、１０００ｈＰａで導入し、Ｙ薄膜に含有される水素分布を計測した。

図３に、収容容器７内に導入するＮ_２ガスの圧力を変化させたときの、イオンビームエネルギーと水素濃度との関係をグラフに示す。同図において、横軸はイオンビームエネルギー、縦軸は水素濃度をＹ原子に対する水素原子の比率で表したものである。
Ｎ_２ガスを導入する圧力を変化させても、ピーク高さはほとんど変化しなかった。これによって、試料を実条件（略１気圧）に配置した状態において、試料中の水素分布を正確に計測できることが分かった。

（隔壁の耐久性評価）
１ｍｍ×１ｍｍ×厚さ１００ｎｍのＳｉＮを隔壁部材５とし、該隔壁部材の収容容器７側の面に補強材８としてＡｕを厚さ１０ｎｍとなるよう製膜したものを用いて、イオンビーム分析装置２０を作製した。
第１実施形態と同様に、隔壁部材５が破損し、低圧部２内部の真空が保てなくなるまでの、隔壁部材５に付与されたイオンビーム量を積算した。

第２実施形態に係るイオンビーム分析装置２０の隔壁部材５は、総イオンビーム付与量が４００μＣを超えても破損することはなかった。上記結果によれば、隔壁部材５の収容容器７側の面に補強材８を設けることで、隔壁部材５の寿命が最低でも４倍程度延びることが確認された。

〔第３実施形態〕
図４に、本実施形態に係るイオンビーム分析装置３０の部分概略図を示す。イオンビーム分析装置３０は、試料３３を収容容器７に収容し、試料３３によって収容容器７を２つの部屋に区画したこと以外は、第２実施形態と同様の構成とする。

図４に示されるように、試料３３は、収容容器７内に収容される。収容容器７は、試料３３によって、試料３３のイオンビーム被照射面側が収容される照射側部屋７ａと、試料３３の照射面側の裏面を収容する裏面側部屋７ｂとに区画される。照射側部屋７ａは、隔壁部材に隣接し、ガスを導入する手段を有する。裏面側部屋７ｂには、図示しないターボ分子ポンプ等の真空排気手段が接続されており、裏面側部屋７ｂの内部は低圧部されている。
上記のようなイオンビーム分析装置３０を用いる場合、試料３３として、パラジウム、パラジウム合金、ニッケル系合金等の水素透過膜が用いられる。試料３３として水素透過膜を用いる場合、照射側部屋７ａに水素ガスを１気圧で導入するとともに、裏面側部屋７ｂの内部を真空排気する。そうすることによって、照射側部屋７ａから裏面側部屋７ｂへと透過する水素の深さ分布を測定することができる。

〔第４実施形態〕
図５に、本実施形態に係るイオンビーム分析装置４０の部分概略図を示す。イオンビーム分析装置４０は、第３実施形態に係るイオンビーム分析装置３０の隔壁部材５に補強材８を設けること以外は、第３実施形態と同様の構成とする。補強材８は、第２実施形態と同様のものとする。
上記構成のイオンビーム分析装置４０は、装置の構成が単純で、且つ、隔壁の耐久性の高いものとなる。

１ イオンビーム照射手段
１ａ イオン源
１ｂ 加速器
２ 低圧部
３，３３ 試料
４ 検出手段
５ 隔壁部材
６ イオンビーム
７ 収容容器
７ａ 照射側部屋
７ｂ 裏面側部屋
８ 補強材（導電性材料）
１０，２０，３０，４０， イオンビーム分析装置

Claims (4)

1. 試料に向けてイオンビームを照射するイオンビーム照射手段と、
   該イオンビーム照射手段に接続され、前記イオンビームの通路となる低圧部と、
   該低圧部の外部に配置されて、前記試料に前記イオンビームが照射されるよう試料を保持する試料保持手段と、
   前記イオンビームによって前記試料から放射された放射エネルギーを検出する検出手段とを備え、
   前記低圧部が、イオンビームの出口部分となる開口部を有し、
   該開口部には、隔壁部材が前記低圧部の内部を気密保持可能に設けられ、
   前記隔壁部材が、イオンビーム透過性を有し、且つ、前記低圧部の内外の圧力差に耐えうる強度を有する材料からなるイオンビーム分析装置。
2. 前記隔壁部材の前記イオンビームが通過する少なくとも一方の面が、導電性金属を含む補強材で被覆されている請求項１に記載のイオンビーム分析装置。
3. 前記試料を収容するとともに、ガスが導入可能とされた収容容器を更に備える請求項１または請求項２に記載のイオンビーム分析装置。
4. 前記収容容器が、前記試料のイオンビーム被照射面に面した照射側部屋と、前記イオンビーム被照射側の反対側の裏面に面した裏面側部屋とに区画され、
   前記照射側部屋にはガスが導入され、前記裏面側部屋は低圧とされている請求項３に記載のイオンビーム分析装置。

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