JP2018156904A - Mass spectrometer and mass spectrometry method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a mass spectrometer and a mass spectrometry method, in which ionization probability of atoms ejected from a solid sample is improved.SOLUTION: A mass spectrometry method 20 includes: a vacuum chamber 22; a sample state 24 arranged in the vacuum chamber 22; an ion beam source 26 for discharging atoms by irradiating a solid sample X arranged on the sample stage 24 with an ion beam B; a laser light source 28 for passing laser light L1 over the irradiation region of the ion beam B of the solid sample X; a reflection mirror 30 which is arranged in the vacuum chamber 22, reflects the laser light L1 and overlaps the laser light L1 and reflection light L2 in the upper side of the irradiation region; and an analyzer 32 capable of analyzing the mass of atoms ionized by the laser light L1 and the reflection light L2.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、質量分析装置および質量分析方法に関する。   The present invention relates to a mass spectrometer and a mass spectrometry method.

微量元素の分析法としては質量分析法(例えば、特許文献1参照)が知られている。質量分析法では原子の重さ(原子質量)を測定するため、同位体分析が可能であるという特長を有している。この質量分析法の応用として、核燃料及び核廃棄物などの放射性同位元素分析がある。   As an analysis method of trace elements, mass spectrometry (see, for example, Patent Document 1) is known. Since mass spectrometry measures the weight of atoms (atomic mass), it has the feature that isotope analysis is possible. As an application of this mass spectrometry, there is radioisotope analysis of nuclear fuel and nuclear waste.

一般的に、放射性元素は同位体ごとに半減期が異なるため、ある試料に含まれる放射性元素の同位体比を測定すれば、それがいつ生成されたものなのか判別することができる。例えば、福島第一原発の事故による放射性物質汚染では、放射性物質が検出されたからといって、その放射性物質が原発事故由来かどうかの確証はない。なぜなら、過去の原発事故や核実験に起因するフォールアウトにより、種々の放射性元素は薄く広く遍く存在しているからである。しかし、同じ放射性同位元素でも、その発生時期によって同位体比が異なる。これは同位体ごとに半減期が異なるためであり、このことを利用すれば放射性物質がいつ生成されたものか判別することができる。しかしながら、先に述べたフォールアウトとの区別は実際には難しい。   In general, since a radioactive element has a different half-life for each isotope, when the isotope ratio of the radioactive element contained in a sample is measured, it is possible to determine when it was generated. For example, in the case of radioactive material contamination caused by the accident at the Fukushima Daiichi nuclear power plant, there is no confirmation that the radioactive material originated from the nuclear accident just because the radioactive material was detected. This is because various radioactive elements exist thinly and widely due to fallout caused by past nuclear accidents and nuclear tests. However, even in the same radioisotope, the isotope ratio varies depending on the generation time. This is because the half-life is different for each isotope, and by using this fact, it is possible to determine when the radioactive substance was generated. However, it is actually difficult to distinguish from the fallout mentioned above.

そこで本発明者らは、数マイクロメートル以下の微粒子一つずつについて成分を分析できるイメージング質量分析装置の開発を行っている。イメージング質量分析装置では個々の粒子についての同位体比分析も可能であるが、放射性物質は一般に存在量が少なく、更なる高感度化が求められている。   In view of this, the present inventors have developed an imaging mass spectrometer that can analyze components for each microparticle of several micrometers or less. Although an imaging mass spectrometer can perform isotope ratio analysis of individual particles, radioactive materials generally have a small abundance, and further enhancement of sensitivity is required.

従来のイメージング質量分析装置では、イオンビーム照射によってのみ、試料表面から原子を放出させ、かつ、イオン化していたが、この場合のイオン化確率は高くても数%程度であり、高感度化には限界がある。そこで、試料表面から放出された原子に対して高密度のレーザ光を照射し、光イオン化させる方法が開発されている。この方法はスパッタ中性粒子質量分析法(SNMS)と呼ばれている。しかしながら、スパッタ中性粒子質量分析法では、十分な光密度を実現するため、低繰り返しのパルス発振レーザが用いられ、イメージングに必要な高繰り返し率(概ね10kHz程度)を有するレーザはパルスエネルギーが低く、十分なイオン化確率が得られないという問題が存在していた。   In conventional imaging mass spectrometers, atoms are released from the sample surface and ionized only by ion beam irradiation. In this case, the probability of ionization is at most several percent, and high sensitivity is required. There is a limit. Therefore, a method has been developed in which atoms emitted from the sample surface are irradiated with high-density laser light to be photoionized. This method is called sputtering neutral particle mass spectrometry (SNMS). However, in sputter neutral particle mass spectrometry, a low repetition pulsed laser is used to achieve a sufficient light density, and a laser having a high repetition rate (approximately 10 kHz) necessary for imaging has low pulse energy. There was a problem that a sufficient ionization probability could not be obtained.

特開2001−108657号公報JP 2001-108657 A

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、固体試料から放出された原子のイオン化確率を向上させた質量分析装置および質量分析方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a mass spectrometer and a mass spectrometry method that improve the ionization probability of atoms emitted from a solid sample.

本発明の第1態様の質量分析装置は、真空チャンバと、前記真空チャンバ内に配置された試料台と、前記試料台上に配置された固体試料にイオンビームを照射して原子を放出させるイオンビーム源と、前記固体試料の前記イオンビームの照射領域の上方にレーザ光を通過させるレーザ光源と、前記真空チャンバ内に配置され、前記レーザ光を反射し、前記照射領域の上方で前記レーザ光と前記反射光とを重ね合わせる反射鏡と、前記レーザ光及び前記反射光によってイオン化された前記原子の質量を分析する分析部と、を有する。   A mass spectrometer according to a first aspect of the present invention includes a vacuum chamber, a sample stage disposed in the vacuum chamber, and ions that emit an atom by irradiating a solid sample disposed on the sample stage with an ion beam. A beam source, a laser light source that allows laser light to pass above the ion beam irradiation region of the solid sample, and a laser light source that is disposed in the vacuum chamber, reflects the laser light, and is above the irradiation region. And a reflecting mirror that superimposes the reflected light and the reflected light, and an analysis unit that analyzes the mass of the atoms ionized by the laser light and the reflected light.

第1態様の質量分析装置では、レーザ光及び反射光によって固体試料から放出された原子(以下、適宜「スパッタ原子」と記載する。)がイオン化される。ここで、固体試料のイオンビームの照射領域の上方(以下、適宜「イオン化空間」と記載する。)でレーザ光と反射光が重ね合わされるため、例えば、レーザ光と反射光がイオン化空間で重ね合わされない態様と比べて、イオン化空間のレーザ光と反射光が重なり合う領域において光子密度が増加し、スパッタ原子に対して光子が衝突する確率が増加する。すなわち、スパッタ原子のイオン化確率が向上する。このようにしてイオン化されるスパッタ原子が増加することで、分析部による質量分析精度が向上する。   In the mass spectrometer of the first aspect, atoms emitted from the solid sample by laser light and reflected light (hereinafter referred to as “sputtered atoms” as appropriate) are ionized. Here, since the laser beam and the reflected beam are superimposed above the ion beam irradiation region of the solid sample (hereinafter, referred to as “ionization space” as appropriate), for example, the laser beam and the reflected beam are superimposed in the ionization space. Compared to a mode in which the laser light and the reflected light in the ionization space overlap, the photon density increases, and the probability that the photons collide with the sputtered atoms increases. That is, the ionization probability of sputtered atoms is improved. The increase in the number of sputtered atoms that are ionized in this way improves the mass analysis accuracy of the analysis unit.

本発明の第2態様の質量分析装置は、第1態様の質量分析装置において、前記レーザ光の光軸と前記反射光の光軸が同軸となるように前記反射鏡が前記試料台に取り付けられている。   The mass spectrometer of the second aspect of the present invention is the mass spectrometer of the first aspect, wherein the reflecting mirror is attached to the sample stage so that the optical axis of the laser beam and the optical axis of the reflected light are coaxial. ing.

第2態様の質量分析装置では、レーザ光の光軸と反射光の光軸が同軸となるため、イオン化空間のレーザ光と反射光が重なり合う領域が増えて、イオン化確率がさらに向上する。
また、上記分析装置では、反射鏡を試料台に取り付けるため、例えば、反射鏡を試料台から離して取り付ける態様と比べて、レーザ光と反射鏡の光軸を同軸に合わせる作業が容易になる。
In the mass spectrometer of the second aspect, since the optical axis of the laser light and the optical axis of the reflected light are coaxial, the area where the laser light and the reflected light overlap in the ionization space increases, and the ionization probability is further improved.
Moreover, in the said analyzer, since a reflecting mirror is attached to a sample stand, compared with the aspect which attaches a reflecting mirror away from a sample stand, for example, the operation | work which matches the optical axis of a laser beam and a reflecting mirror coaxially becomes easy.

本発明の第3態様の質量分析装置は、第1態様の質量分析装置において、前記反射光同士が前記照射領域の上方で複数回重なり合うように複数の前記反射鏡が前記試料台に取り付けられている。   A mass spectrometer according to a third aspect of the present invention is the mass spectrometer according to the first aspect, wherein the plurality of reflecting mirrors are attached to the sample stage so that the reflected lights overlap each other a plurality of times above the irradiation region. Yes.

第3態様の質量分析装置では、複数の反射鏡で反射光をリレーすることで、少なくとも反射光同士がイオン化空間で複数回重なり合うため、イオン化空間の反射光同士が重なり合う領域が増えて、イオン化確率がさらに向上する。   In the mass spectrometer of the third aspect, since the reflected light is relayed by a plurality of reflecting mirrors, at least the reflected lights overlap each other multiple times in the ionization space, so that the region where the reflected light in the ionization space overlaps increases, and the ionization probability Is further improved.

本発明の第4態様の質量分析装置は、真空チャンバと、前記真空チャンバ内に配置された試料台と、前記試料台上に配置された固体試料にイオンビームを照射して原子を放出させるイオンビーム源と、前記試料台の表面に平行にレーザ光を照射するレーザ光源と、前記真空チャンバ内に複数配置され、前記レーザ光を反射し、反射光同士を前記固体試料の前記イオンビームの照射領域の上方で重ね合わせる反射鏡と、少なくも前記反射光によってイオン化された前記原子の質量を分析する分析部と、を有する。   A mass spectrometer according to a fourth aspect of the present invention includes a vacuum chamber, a sample stage disposed in the vacuum chamber, and ions that emit an atom by irradiating a solid sample disposed on the sample stage with an ion beam. A plurality of beam sources, a laser light source that irradiates laser light in parallel with the surface of the sample stage, and a plurality of laser light sources that are arranged in the vacuum chamber, reflect the laser light, and irradiate the reflected light to the ion beam of the solid sample. A reflecting mirror that overlaps above the region; and an analyzer that analyzes the mass of the atoms ionized by the reflected light.

第4態様の質量分析装置では、反射光によって固体試料から放出された原子がイオン化される。ここで、固体試料のイオンビームの照射領域の上方で複数の反射鏡で反射された反射光同士が重ね合わされるため、例えば、反射光同士が重ね合わされない態様と比べて、イオン化空間の反射光同士が重なり合う領域において光子密度が増加し、スパッタ原子に対して光子が衝突する確率が増加する。すなわち、スパッタ原子のイオン化確率が向上する。このようにしてイオン化されるスパッタ原子が増加することで、分析部による質量分析精度が向上する。   In the mass spectrometer of the fourth aspect, atoms emitted from the solid sample are reflected by the reflected light. Here, since the reflected lights reflected by the plurality of reflecting mirrors are superimposed above the irradiation region of the ion beam of the solid sample, for example, the reflected lights in the ionization space are compared with each other in a mode in which the reflected lights are not superimposed. The photon density increases in the overlapping region, and the probability of photons colliding with the sputtered atoms increases. That is, the ionization probability of sputtered atoms is improved. The increase in the number of sputtered atoms that are ionized in this way improves the mass analysis accuracy of the analysis unit.

本発明の第5態様の質量分析装置は、第1態様〜第4態様のいずれか一態様の質量分析装置において、前記レーザ光源は、前記固体試料に含まれる原子の種類に応じて、前記レーザ光の波長を変更可能とされている。   The mass spectrometer of the fifth aspect of the present invention is the mass spectrometer according to any one of the first to fourth aspects, wherein the laser light source is the laser according to the type of atoms contained in the solid sample. The wavelength of light can be changed.

第5態様の質量分析装置では、固体試料に含まれる原子の種類に応じてレーザ光の波長を変更することで、スパッタ原子を共鳴イオン化させることができる。これにより、スパッタ原子のイオン化確率がさらに向上する。   In the mass spectrometer of the fifth aspect, sputtered atoms can be resonantly ionized by changing the wavelength of the laser beam according to the type of atoms contained in the solid sample. This further improves the ionization probability of the sputtered atoms.

本発明の第6態様の質量分析装置は、第1態様〜第5態様のいずれか一態様の質量分析装置において、前記試料台は、前記真空チャンバに対して着脱可能に装着され、前記真空チャンバには、前記試料台を取り出すための取出口が設けられている。   A mass spectrometer according to a sixth aspect of the present invention is the mass spectrometer according to any one of the first to fifth aspects, wherein the sample stage is detachably attached to the vacuum chamber, and the vacuum chamber Is provided with an outlet for taking out the sample stage.

第6態様の質量分析装置では、試料台を真空チャンバから離脱し、取出口から取り出すことで、固体試料を交換することができる。また、試料台の離脱時には、反射鏡を清掃又は交換することもできる。   In the mass spectrometer of the sixth aspect, the solid sample can be exchanged by removing the sample stage from the vacuum chamber and taking it out from the outlet. In addition, when the sample stage is detached, the reflecting mirror can be cleaned or replaced.

本発明の第7態様の質量分析方法は、固体試料が配置された試料台を真空チャンバ内に配置し、前記真空チャンバ内を真空状態にする工程と、前記固体試料にイオンビームを照射して前記固体試料から原子を放出させる工程と、前記固体試料の前記イオンビームの照射領域の上方にレーザ光を通過させて前記原子をイオン化させる工程と、前記レーザ光と重なり合うように反射させた反射光によって、前記レーザ光でイオン化しなかった前記原子をイオン化させる工程と、イオン化された前記原子の質量を分析する工程と、を有する。   The mass spectrometric method of the seventh aspect of the present invention includes a step of placing a sample stage on which a solid sample is placed in a vacuum chamber, evacuating the inside of the vacuum chamber, A step of emitting atoms from the solid sample; a step of ionizing the atoms by passing a laser beam above the ion beam irradiation region of the solid sample; and a reflected light reflected so as to overlap the laser beam To ionize the atoms that have not been ionized by the laser beam, and to analyze the mass of the ionized atoms.

本発明の第7態様の質量分析方法は、上述の第1態様の質量分析装置と同様の作用効果を奏する。   The mass spectrometric method of the seventh aspect of the present invention has the same effects as the mass spectroscope of the first aspect described above.

本発明によれば、固体試料から放出された原子のイオン化確率を向上させた質量分析装置および質量分析方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the mass spectrometer and the mass spectrometry method which improved the ionization probability of the atom discharge | released from the solid sample can be provided.

第1実施形態に係る質量分析装置の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the mass spectrometer which concerns on 1st Embodiment. 図1の質量分析装置の要部を拡大した拡大図である。It is the enlarged view to which the principal part of the mass spectrometer of FIG. 1 was expanded. 図1の質量分析装置の要部を拡大した拡大図であり、パルスレーザが反射鏡で反射された状態を示している。It is the enlarged view to which the principal part of the mass spectrometer of FIG. 1 was expanded, and has shown the state in which the pulse laser was reflected with the reflective mirror. 図1の質量分析装置の要部を上方から見た平面図である。It is the top view which looked at the principal part of the mass spectrometer of FIG. 1 from upper direction. 第2実施形態に係る質量分析装置の要部を上方から見た平面図であり、パルスレーザの往路を示す平面図である。It is the top view which looked at the principal part of the mass spectrometer which concerns on 2nd Embodiment from upper direction, and is a top view which shows the outward path | route of a pulse laser. 図5の質量分析装置の要部を上方から見た平面図であり、パルスレーザの復路を示す平面図である。It is the top view which looked at the principal part of the mass spectrometer of FIG. 5 from upper direction, and is a top view which shows the return path | route of a pulse laser. パルスレーザの1回反射で且つ非共鳴イオン化において得られた質量スペクトルである。It is a mass spectrum obtained by non-resonant ionization with a single reflection of a pulsed laser. スパッタ原子の非共鳴2光子吸収によるイオン化過程を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the ionization process by non-resonant two-photon absorption of a sputtered atom. スパッタ原子の共鳴2光子吸収によるイオン化過程を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the ionization process by the resonance two-photon absorption of a sputter atom. パルスレーザの波長とジルコニウム(Zr)のイオン検出数との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the wavelength of a pulse laser, and the number of detected ions of zirconium (Zr). パルスレーザの往路波長及び復路波長とジルコニウム(Zr)のイオン検出数との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the outgoing path wavelength of a pulse laser, a return path wavelength, and the number of detected ions of zirconium (Zr). パルスレーザを1回通過させたときのスパッタ原子群のイオン化範囲を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the ionization range of a sputter | spatter atom group when a pulse laser is passed once. パルスレーザを1回通過させ1回反射させたときのスパッタ原子群のイオン化範囲を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the ionization range of a sputter | spatter atom group when a pulse laser passes once and it reflects once.

[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態に係る質量分析装置及び質量分析方法について図1〜図4を用いて説明する。
[First Embodiment]
Hereinafter, the mass spectrometer and the mass spectrometry method according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

<質量分析装置>
図1は、本実施形態の質量分析装置20の構成を示す概略図である。
質量分析装置20は、固体試料Xに含まれる原子(中性粒子)を放出させ、放出された原子(以下、適宜「スパッタ原子S」と記載する。)をレーザ光でイオン化させ、イオン化された原子の質量を分析する装置である。
<Mass spectrometer>
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a mass spectrometer 20 of the present embodiment.
The mass spectrometer 20 releases the atoms (neutral particles) contained in the solid sample X, and ionizes the emitted atoms (hereinafter referred to as “sputtered atoms S” as appropriate) by laser light. It is a device for analyzing the mass of atoms.

図1に示されるように、質量分析装置20は、真空チャンバ22と、試料台24と、イオンビーム源26と、レーザ光源28と、反射鏡30と、分析部32と、を有する。   As shown in FIG. 1, the mass spectrometer 20 includes a vacuum chamber 22, a sample stage 24, an ion beam source 26, a laser light source 28, a reflecting mirror 30, and an analysis unit 32.

(真空チャンバ)
図1に示されるように、真空チャンバ22は、試料台24、イオンビーム源26、反射鏡30及び分析部32を内部に収容している。この真空チャンバ22には、図示しない負圧回路が接続されている。この負圧回路を作動させることで真空チャンバ22内が真空状態となる。
(Vacuum chamber)
As shown in FIG. 1, the vacuum chamber 22 accommodates a sample stage 24, an ion beam source 26, a reflecting mirror 30, and an analysis unit 32 inside. A negative pressure circuit (not shown) is connected to the vacuum chamber 22. By operating the negative pressure circuit, the vacuum chamber 22 is evacuated.

また、真空チャンバ22には、試料台24の取出口34が設けられている。この取出口34は、真空チャンバ22に設けられた開閉扉36によって開閉されるようになっている。なお、本実施形態では、開閉扉36を片開きの扉としているが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、開閉扉を両開きの扉としてもよいし、スライド式の扉としてもよい。また、開閉扉の開く方向についても特に限定されない。   The vacuum chamber 22 is provided with an outlet 34 for the sample stage 24. The outlet 34 is opened and closed by an open / close door 36 provided in the vacuum chamber 22. In the present embodiment, the open / close door 36 is a single door, but the present invention is not limited to this configuration. For example, the open / close door may be a double door or a sliding door. Further, the opening direction of the opening / closing door is not particularly limited.

また、真空チャンバ22の側壁には、レーザ光源28から照射されるレーザ光L1の光軸上に透過ガラス38が嵌め込まれている。レーザ光源28からのレーザ光L1は、透過ガラス38を透過して真空チャンバ22内に進入する。   Further, a transmissive glass 38 is fitted on the side wall of the vacuum chamber 22 on the optical axis of the laser light L1 emitted from the laser light source 28. The laser light L 1 from the laser light source 28 passes through the transmission glass 38 and enters the vacuum chamber 22.

(試料台)
図1に示されるように、試料台24は、真空チャンバ22の下部に設けられた台座40に着脱可能に装着されている。試料台24の表面24Aは、平面とされており、固体試料Xが配置される。なお、試料台24は、イオンビームBの照射位置を調整するため、ターゲットとなる固体試料Xの位置を適宜調整可能なマニピュレータを有している。
(Sample stage)
As shown in FIG. 1, the sample stage 24 is detachably attached to a pedestal 40 provided at the lower part of the vacuum chamber 22. The surface 24A of the sample stage 24 is a flat surface, and the solid sample X is disposed thereon. Note that the sample stage 24 has a manipulator capable of appropriately adjusting the position of the solid sample X serving as a target in order to adjust the irradiation position of the ion beam B.

(イオンビーム源)
イオンビーム源26は、試料台24上に配置された固体試料XにイオンビームBを照射して固体試料Xに含まれる原子を放出させるためのビーム源である。イオンビーム源26としては、例えば、集束イオンビーム(FIB)装置など、一般に入手可能な装置を用いてもよい。イオンビームを固体試料Xに照射する際は、例えば、液体金属のガリウムイオン源からイオンビームを取り出し、集束させた上で、ナノスケールの精度で固体試料Xにパルス状に照射させてもよい。
(Ion beam source)
The ion beam source 26 is a beam source for irradiating the solid sample X disposed on the sample stage 24 with the ion beam B to emit atoms contained in the solid sample X. As the ion beam source 26, for example, a generally available device such as a focused ion beam (FIB) device may be used. When irradiating the solid sample X with the ion beam, for example, the ion beam may be taken out from a liquid metal gallium ion source and focused, and then the solid sample X may be irradiated in a pulse shape with nanoscale accuracy.

また、イオンビーム源26を移動可能に構成して、イオンビーム源26を移動させることで、固体試料Xの表面上をイオンビームBで走査してもよい。このような構成として、イオンビームBの照射領域におけるスパッタ原子Sの信号量を記録することでミクロなスケールでのイメージングが可能となる。なお、台座40を移動可能に構成して、台座40を移動させることで固体試料Xの表面上をイオンビームBで走査してもよい。   Alternatively, the ion beam source 26 may be configured to be movable, and the surface of the solid sample X may be scanned with the ion beam B by moving the ion beam source 26. With such a configuration, it is possible to perform imaging on a micro scale by recording the signal amount of the sputtered atoms S in the irradiation region of the ion beam B. The pedestal 40 may be configured to be movable, and the surface of the solid sample X may be scanned with the ion beam B by moving the pedestal 40.

(レーザ光源)
図1、図2及び図4に示されるように、レーザ光源28は、固体試料XのイオンビームBの照射領域の上方(以下、適宜「イオン化空間」と記載する。)をパルスレーザ(パルス状のレーザ)が通過するようにパルスレーザを照射する装置である。なお、以下では、パルスレーザの入射光をレーザ光L1として記載する。このレーザ光源28は、真空チャンバ22の外側に設置されており、試料台24の表面24Aに平行にレーザ光L1を照射する。
(Laser light source)
As shown in FIGS. 1, 2, and 4, the laser light source 28 is a pulse laser (pulse-like) above the irradiation region of the ion beam B of the solid sample X (hereinafter referred to as “ionization space” as appropriate). This is a device that irradiates a pulsed laser so that the laser passes through. Hereinafter, the incident light of the pulse laser is described as laser light L1. The laser light source 28 is installed outside the vacuum chamber 22 and irradiates the laser beam L1 parallel to the surface 24A of the sample table 24.

レーザ光源28は、所定の波長および所定のレーザ強度を有するパルスレーザを、固体試料Xから放出されたスパッタ原子S(原子群)に照射することにより、スパッタ原子Sをイオン化させる。   The laser light source 28 ionizes the sputtered atoms S by irradiating the sputtered atoms S (atom group) emitted from the solid sample X with a pulse laser having a predetermined wavelength and a predetermined laser intensity.

レーザ光源28から照射されるパルスレーザの波長としては、特に限定されないが、例えば、266mmとしてもよい。   Although it does not specifically limit as a wavelength of the pulse laser irradiated from the laser light source 28, For example, you may be 266 mm.

イオンビームBによって固体試料Xから放出された原子は、等方的ではないが散逸して飛んでいくため、レーザ光源28から照射されるレーザ光L1が、試料台24の表面24A近くに照射されるようにレーザ光源28を設置することが好ましい。これにより、放出されたスパッタ原子Sを効率よくイオン化することができる。試料台24の表面24Aに平行にレーザ光L1を照射する場合、例えば、レーザ光L1と試料台24の表面24Aとの間の隙間は、1mm程度であることが好ましい。   The atoms emitted from the solid sample X by the ion beam B are not isotropic, but dissipate and fly, so the laser light L1 emitted from the laser light source 28 is emitted near the surface 24A of the sample stage 24. It is preferable to install the laser light source 28 in such a manner. Thereby, the released sputtered atoms S can be efficiently ionized. When the laser beam L1 is irradiated in parallel to the surface 24A of the sample table 24, for example, the gap between the laser beam L1 and the surface 24A of the sample table 24 is preferably about 1 mm.

レーザ光源28としては、例えば、市販の紫外線レーザ発生装置等の波長可変レーザを用いてもよい。   As the laser light source 28, for example, a wavelength tunable laser such as a commercially available ultraviolet laser generator may be used.

(反射鏡)
図1及び図3に示されるように、反射鏡30は、試料台24の表面24Aに取り付けられている。この反射鏡30は、固体試料Xの中心から10mm以内に配置されている。また、反射鏡30は、レーザ光L1(図1及び図2では黒矢印で示す)の光軸と反射光L2(図3では白矢印で示す)の光軸が同軸となるように試料台24の表面24Aに取り付けられている。このため、レーザ光L1と反射光L2とがイオン化空間で重なり合う。なお、本実施形態では、反射鏡30は、試料台24の表面24Aに設けられた凹部(図示省略)に嵌め込まれている。
(Reflector)
As shown in FIGS. 1 and 3, the reflecting mirror 30 is attached to the surface 24 </ b> A of the sample table 24. The reflecting mirror 30 is disposed within 10 mm from the center of the solid sample X. In addition, the reflecting mirror 30 is configured so that the optical axis of the laser light L1 (indicated by a black arrow in FIGS. 1 and 2) and the optical axis of the reflected light L2 (indicated by a white arrow in FIG. 3) are coaxial. Is attached to the surface 24A. For this reason, the laser light L1 and the reflected light L2 overlap in the ionization space. In the present embodiment, the reflecting mirror 30 is fitted in a recess (not shown) provided on the surface 24A of the sample stage 24.

なお、反射鏡30の反射率は、100%に近い程好ましいが、特に限定されない。   The reflectance of the reflecting mirror 30 is preferably closer to 100%, but is not particularly limited.

(分析部)
分析部32は、イオン化された原子を質量分析するためのものである。分析部32としては、例えばセクター磁場型質量分析装置、飛行時間型質量分析装置(TOF−MS)、四重極型質量分析装置(QMS)等、種々の装置が適用可能である。
(Analysis Department)
The analysis unit 32 is for mass analysis of ionized atoms. As the analysis unit 32, various devices such as a sector magnetic field mass spectrometer, a time-of-flight mass spectrometer (TOF-MS), and a quadrupole mass spectrometer (QMS) can be applied.

(制御部)
制御部42は、質量分析装置20が備える各構成の制御を行なうものであり、具体的には、イオンビーム源26から照射されるイオンビームBの照射タイミング制御、ならびにレーザ光源28から照射されるレーザ光L1の照射タイミング制御を行なうものである。次に、制御部42による各構成の制御方法について説明する。
(Control part)
The control unit 42 controls each component included in the mass spectrometer 20. Specifically, the control unit 42 controls the irradiation timing of the ion beam B irradiated from the ion beam source 26 and the laser light source 28. The irradiation timing control of the laser beam L1 is performed. Next, a method for controlling each component by the control unit 42 will be described.

制御部42は、イオンビームBを固体試料Xに照射してから所定の時間が経過した後に、放出されたスパッタ原子Sがあるイオン化空間にレーザ光L1を照射するようにレーザ光源28を制御する。レーザ光L1をイオン化空間に照射することにより、イオン化空間内のスパッタ原子Sがイオン化される。また、反射鏡30によって反射された反射光L2もイオン化空間を通過するためスパッタ原子Sがイオン化される。これにより、イオン化確率が向上する。   The control unit 42 controls the laser light source 28 so that the laser beam L1 is irradiated to the ionization space where the sputtered atoms S are emitted after a predetermined time has elapsed since the solid sample X was irradiated with the ion beam B. . By irradiating the ionization space with the laser beam L1, the sputtered atoms S in the ionization space are ionized. Further, since the reflected light L2 reflected by the reflecting mirror 30 also passes through the ionization space, the sputtered atoms S are ionized. Thereby, the ionization probability is improved.

<質量分析方法>
本実施形態の質量分析方法について説明する。なお、本実施形態の質量分析方法では、質量分析装置20を用いる。
<Mass spectrometry method>
The mass spectrometry method of this embodiment will be described. In the mass spectrometry method of the present embodiment, the mass spectrometer 20 is used.

まず、試料台24の表面24Aに固体試料Xを配置し、真空チャンバ22の取出口34を通して試料台24を台座40に取り付ける。その後、開閉扉36を閉じて前述の負圧回路を作動させて真空チャンバ22内を真空状態にする。   First, the solid sample X is placed on the surface 24 </ b> A of the sample stage 24, and the sample stage 24 is attached to the base 40 through the outlet 34 of the vacuum chamber 22. Thereafter, the open / close door 36 is closed and the above-described negative pressure circuit is operated to bring the vacuum chamber 22 into a vacuum state.

次に、固体試料XにイオンビームBを照射し、固体試料Xから原子を放出させる。   Next, the solid sample X is irradiated with the ion beam B, and atoms are emitted from the solid sample X.

次に、固体試料XのイオンビームBの照射領域の上方にあるイオン化空間にレーザ光L1を通過させる。これにより、イオン化空間内のスパッタ原子Sがイオン化される。   Next, the laser beam L1 is passed through the ionization space above the irradiation region of the ion beam B of the solid sample X. Thereby, the sputtered atoms S in the ionization space are ionized.

そして、イオン化空間を通過したレーザ光L1は、反射鏡30で反射される。反射された反射光L2は、レーザ光L1でイオン化しなかったスパッタ原子Sをイオン化させる。ここで、パルスレーザの波長が長く、固体試料Xの中心から反射鏡30までの距離Dが10mm以下のため、反射光L2の前部(レーザ反射方向の前部)がレーザ光L1の後部(レーザ入射方向の後部)と重なり合う。   The laser light L1 that has passed through the ionization space is reflected by the reflecting mirror 30. The reflected light L2 reflected ionizes the sputtered atoms S that have not been ionized by the laser light L1. Here, since the wavelength of the pulse laser is long and the distance D from the center of the solid sample X to the reflecting mirror 30 is 10 mm or less, the front part of the reflected light L2 (the front part in the laser reflection direction) is the rear part of the laser light L1 ( It overlaps with the rear part of the laser incident direction.

その後、イオン化された原子が分析部32に引き込まれ、該原子の質量分析が行なわれる。   Thereafter, the ionized atoms are drawn into the analysis unit 32, and mass analysis of the atoms is performed.

次に本実施形態の作用効果について説明する。
質量分析装置20では、レーザ光L1及び反射光L2によって固体試料Xから放出されたスパッタ原子Sがイオン化される。ここで、固体試料XのイオンビームBの照射領域の上方にあるイオン化空間でレーザ光L1と反射光L2が重ね合わされるため(図3ではレーザ光L1の範囲を二点鎖線で示し、反射光L2の範囲を実線で示している。)、例えば、レーザ光L1と反射光L2がイオン化空間で重ね合わされない形態と比べて、イオン化空間のレーザ光L1と反射光L2が重なり合う領域において光子密度が増加し、スパッタ原子Sに対して光子が衝突する確率が増加する。すなわち、イオン化確率が向上する。このようにしてイオン化される原子が増加することで、分析部32による質量分析精度が向上する。
Next, the effect of this embodiment is demonstrated.
In the mass spectrometer 20, the sputtered atoms S emitted from the solid sample X are ionized by the laser light L1 and the reflected light L2. Here, since the laser light L1 and the reflected light L2 are superimposed in the ionization space above the irradiation region of the ion beam B of the solid sample X (in FIG. 3, the range of the laser light L1 is indicated by a two-dot chain line, and the reflected light The range of L2 is indicated by a solid line.) For example, the photon density is increased in the region where the laser light L1 and the reflected light L2 in the ionization space overlap as compared with the case where the laser light L1 and the reflected light L2 are not superimposed in the ionization space. In addition, the probability that a photon collides with the sputtered atoms S increases. That is, the ionization probability is improved. As the number of atoms ionized in this way increases, the mass analysis accuracy by the analysis unit 32 is improved.

また、質量分析装置20では、レーザ光L1の光軸と反射光L2の光軸が同軸となるため、イオン化空間のレーザ光と反射光が重なり合う領域が増えて、スパッタ原子Sのイオン化確率がさらに向上する。
また、反射鏡30を試料台24に取り付けるため、例えば、反射鏡30を試料台24から離して取り付ける形態と比べて、レーザ光L1と反射光L2の光軸を同軸に合わせる作業が容易になる。
Further, in the mass spectrometer 20, since the optical axis of the laser light L1 and the optical axis of the reflected light L2 are coaxial, the region where the laser light and the reflected light overlap in the ionization space is increased, and the ionization probability of the sputtered atoms S is further increased. improves.
In addition, since the reflecting mirror 30 is attached to the sample stage 24, for example, the operation of aligning the optical axes of the laser light L1 and the reflected light L2 on the same axis can be facilitated as compared with a configuration in which the reflecting mirror 30 is attached away from the sample stage 24. .

さらに、質量分析装置20では、試料台24を真空チャンバ22から離脱し、取出口34から取り出すことで、固体試料Xを交換することができる。また、試料台24の離脱時には反射鏡30を清掃又は交換することもできる。   Further, in the mass spectrometer 20, the solid sample X can be exchanged by removing the sample stage 24 from the vacuum chamber 22 and taking it out from the outlet 34. Further, when the sample stage 24 is detached, the reflecting mirror 30 can be cleaned or replaced.

[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態に係る質量分析装置及び質量分析方法について図5及び図6を用いて説明する。
[Second Embodiment]
Next, a mass spectrometer and a mass spectrometry method according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図5及び図6に示されるように、本実施形態の質量分析装置50は、試料台52の構成を除いて第1実施形態と同様の構成である。このため、第1実施形態と同様の構成については、同一の符号を付し、その説明を省略する。   As shown in FIGS. 5 and 6, the mass spectrometer 50 of the present embodiment has the same configuration as that of the first embodiment except for the configuration of the sample stage 52. For this reason, about the structure similar to 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.

試料台52には、表面52Aに複数(本実施形態では4つ)の溝部54が形成されている。これらの溝部54は、試料台52の外周縁部から延びている。また、これらの溝部54には、反射鏡30が嵌め込まれるようになっている。これらの溝部54に反射鏡30をそれぞれ嵌め込むことで、レーザ光源28から照射されたレーザ光L1が複数の反射鏡30によって反射されて、図5及び図6に示されるように反射光L2がイオン化空間において複数回重ね合わされるように構成されている。   In the sample stage 52, a plurality of (four in this embodiment) groove portions 54 are formed on the surface 52A. These groove portions 54 extend from the outer peripheral edge portion of the sample stage 52. Further, the reflecting mirror 30 is fitted in these groove portions 54. By fitting the reflecting mirrors 30 into the grooves 54, the laser light L1 emitted from the laser light source 28 is reflected by the plurality of reflecting mirrors 30, and the reflected light L2 is reflected as shown in FIGS. The ionization space is configured to be superimposed a plurality of times.

次に本実施形態の作用効果について説明する。
質量分析装置50では、反射光L2によって固体試料Xから放出されたスパッタ原子Sがイオン化される。ここで、固体試料XのイオンビームBの照射領域の上方であるイオン化空間で複数の反射鏡30で反射された反射光L2同士が重ね合わされるため、例えば、反射光L2同士が重ね合わされない形態と比べて、イオン化空間の反射光L2同士が重なり合う領域において光子密度が増加し、スパッタ原子Sに対して光子が衝突する確率が増加する。すなわち、イオン化確率が向上する。このようにしてイオン化される原子が増加することで、分析部による質量分析精度が向上する。
Next, the effect of this embodiment is demonstrated.
In the mass spectrometer 50, the sputtered atoms S emitted from the solid sample X are ionized by the reflected light L2. Here, since the reflected lights L2 reflected by the plurality of reflecting mirrors 30 are superimposed in the ionization space above the irradiation region of the ion beam B of the solid sample X, for example, the reflected lights L2 are not superimposed on each other. In comparison, the photon density increases in the region where the reflected lights L2 in the ionization space overlap each other, and the probability that the photons collide with the sputtered atoms S increases. That is, the ionization probability is improved. As the number of atoms ionized in this way increases, the mass analysis accuracy by the analysis unit is improved.

第2実施形態の質量分析装置50では、図5に示されるように、レーザ光源28から照射されたレーザ光L1は、イオン化空間を通過しない構成とされているが、本発明はこの構成に限定されない。複数の反射鏡30が取り付けられる試料台52の構成を第1実施形態の質量分析装置20に適用してもよい。この構成とした場合、レーザ光源28から照射されたレーザ光L1もイオン化空間を通過するため、スパッタ原子Sのイオン化確率が向上する。   In the mass spectrometer 50 of the second embodiment, as shown in FIG. 5, the laser light L1 emitted from the laser light source 28 is configured not to pass through the ionization space, but the present invention is limited to this configuration. Not. The configuration of the sample stage 52 to which a plurality of reflecting mirrors 30 are attached may be applied to the mass spectrometer 20 of the first embodiment. In this configuration, since the laser light L1 emitted from the laser light source 28 also passes through the ionization space, the ionization probability of the sputtered atoms S is improved.

また、第1実施形態の質量分析装置20では、レーザ光源28から照射されるパルスレーザ(レーザ光L1)の波長が固定されているが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、レーザ光源28は、固体試料Xに含まれる原子の種類に応じて、レーザ光L1の波長を変更可能に構成されていてもよい。この構成とした場合、固体試料Xに含まれる原子の種類に応じてレーザ光の波長を変更できるため、スパッタ原子Sを共鳴イオン化させることができる。これにより、スパッタ原子Sのイオン化確率をさらに向上できる。なお、第2実施形態の質量分析装置50に上記レーザ光L1の波長を変更する構成を適用してもよい。   Moreover, in the mass spectrometer 20 of 1st Embodiment, although the wavelength of the pulse laser (laser beam L1) irradiated from the laser light source 28 is fixed, this invention is not limited to this structure. For example, the laser light source 28 may be configured such that the wavelength of the laser light L1 can be changed according to the type of atoms contained in the solid sample X. In this configuration, since the wavelength of the laser beam can be changed according to the type of atoms contained in the solid sample X, the sputtered atoms S can be resonantly ionized. Thereby, the ionization probability of the sputtered atoms S can be further improved. In addition, you may apply the structure which changes the wavelength of the said laser beam L1 to the mass spectrometer 50 of 2nd Embodiment.

<実験>
(本発明の効果の確認)
以下、本発明によるイオン化確率が向上する効果について説明する。なお、本発明によるイオン化確率向上効果は、原理の異なる二つのメカニズムがあるため、それぞれについて説明する。
<Experiment>
(Confirmation of the effect of the present invention)
Hereinafter, the effect of improving the ionization probability according to the present invention will be described. Since the ionization probability improvement effect according to the present invention has two mechanisms having different principles, each will be described.

(1)パルスレーザの入射光と反射光のオーバーラップによる光子密度増大による効果(非共鳴イオン化) (1) Effect of increased photon density due to overlap of incident light and reflected light of pulsed laser (non-resonant ionization)

図7に、反射鏡を1枚使用し、1回反射による増大効果を得た実験の質量スペクトルを示す。固体試料として用いたのはインジウム(In)板であり、使用したレーザ光源のレーザの波長は266nm、繰り返し率2kHz、パルス幅約7nsであり、反射鏡は鏡面研磨したケイ素ウェハである。なお、ケイ素ウェハによるレーザ光の反射率は事前の測定により63%と求められている。結果は、115In+イオンのピーク面積強度で反射無しの場合と比べて1.8倍の増大が見られた。反射鏡の反射率は63%であるため、レーザの往路と復路(レーザの入射光と反射光)を合わせて1.63倍の増大効果が見込めるが、実際にはそれを超える効果が得られている。
これは図8(A)及び図8(B)のように説明できる。使用したレーザのパルス幅は7nsであり、これはパルス長さとしては2メートルを超える。
一方、固体試料の中心から反射鏡までは10mm以下と近く、反射光と入射光は試料台の上方で重なっていることになる。レーザの波長266nmにおけるインジウム原子のイオン化は、非共鳴2光子吸収イオン化であり、理論的にはイオン化確率は光子密度の2乗に比例する。
理論通りであれば、(1+0.63)2=2.66倍の効果が得られるはずであるが、実際には光軸の微小なズレや、入射光ですでにイオン化した原子はこの効果に加算されないことを考えると、実験での増大率が2.66倍には達しないが、単純和である1.63倍よりも大きいことが説明できる。
したがって、1回反射において、レーザの往路と復路で光軸が重なる条件においては、反射率から想定されるレーザの往路と復路の単純和を超えるイオン化確率の向上効果が得られることが示された。
なお、反射鏡の設置精度であるが、図2に示されるように、固体試料の中心と反射鏡間の距離Dを10mm程度、レーザの光軸の太さを0.2mm程度とした場合、幾何学的な計算から見積もると、角度にして1度以内に合わせ、入射光との同軸性を保証することで効果が得られる。
FIG. 7 shows a mass spectrum of an experiment in which one reflection mirror is used and an increase effect by a single reflection is obtained. The solid sample used was an indium (In) plate. The laser light source used had a laser wavelength of 266 nm, a repetition rate of 2 kHz, a pulse width of about 7 ns, and the reflecting mirror was a mirror-polished silicon wafer. Note that the reflectance of the laser beam from the silicon wafer is determined to be 63% by a prior measurement. As a result, the peak area intensity of 115In + ions increased 1.8 times compared to the case of no reflection. Since the reflectivity of the reflector is 63%, it is possible to expect an increase effect of 1.63 times by combining the laser forward and return paths (laser incident light and reflected light). ing.
This can be explained as shown in FIGS. 8A and 8B. The pulse width of the laser used is 7 ns, which exceeds 2 meters as the pulse length.
On the other hand, the distance from the center of the solid sample to the reflecting mirror is close to 10 mm or less, and the reflected light and the incident light overlap above the sample stage. The ionization of indium atoms at a laser wavelength of 266 nm is non-resonant two-photon absorption ionization, and theoretically the ionization probability is proportional to the square of the photon density.
According to theory, (1 + 0.63) 2 = 2.66 times of the effect should be obtained, but in reality, a slight deviation of the optical axis and atoms already ionized by incident light are effective in this effect. Considering that they are not added, it can be explained that the increase rate in the experiment does not reach 2.66 times, but is larger than 1.63 times that is a simple sum.
Therefore, in a single reflection, it was shown that, under the condition where the optical axis overlaps between the laser forward path and the return path, an ionization probability improvement effect exceeding the simple sum of the laser forward path and the return path assumed from the reflectance can be obtained. .
As shown in FIG. 2, the installation accuracy of the reflecting mirror is as follows. When the distance D between the center of the solid sample and the reflecting mirror is about 10 mm and the thickness of the optical axis of the laser is about 0.2 mm, As estimated from geometric calculation, the effect can be obtained by adjusting the angle to within 1 degree and ensuring the coaxiality with the incident light.

(2)異なる方向から2回レーザ(入射光と反射光)を通過させることによる増大効果(共鳴イオン化) (2) Increase effect (resonance ionization) by passing laser (incident light and reflected light) twice from different directions

1回反射を用いる方法において、更に増大率の高いケースが発見された。図8(A)及び図8(B)に示されるように、原子が光を吸収してイオン化するプロセスには、「非共鳴イオン化」と「共鳴イオン化」がある。   In the method using single reflection, a case with a higher increase rate was discovered. As shown in FIGS. 8A and 8B, processes in which atoms absorb light and ionize include “non-resonant ionization” and “resonance ionization”.

非共鳴イオン化は前述のインジウムでの実験に相当する。すなわち、ある波長のレーザ光の光子2光子を同時に吸収してイオン化ポテンシャルに達するケースである。この場合は前述のように、1光子目を吸収し、かつ、2光子目を吸収する確率であるので、イオン化確率は光子密度の2乗に比例する。   Non-resonant ionization corresponds to the above-described experiment with indium. That is, this is a case where two photons of a laser beam having a certain wavelength are simultaneously absorbed to reach the ionization potential. In this case, as described above, since the probability is that the first photon is absorbed and the second photon is absorbed, the ionization probability is proportional to the square of the photon density.

一方、原子の内部準位(励起準位)に同調させた波長の光を用いた場合は、図8(A)のように、1光子目で励起され、励起状態を数ns程度維持し、その間に2光子目が吸収されればイオン化に至る。
つまり、共鳴プロセスでは、2光子目の吸収に際して数nsの時間的猶予があるため、レーザ光を共鳴波長に合わせたときにイオン化確率が急激に増大する。これを共鳴イオン化と呼ぶ。共鳴イオン化に用いるレーザ光源は波長可変でなければならず、レーザの繰り返し率やエネルギーなど、実用に耐えうるレーザシステムは非共鳴の場合と比べても更に厳しい。したがって、レーザ共鳴イオン化の場合にも、ある繰り返し率及びエネルギーの波長可変レーザを用い、最大限の効果(イオン化確率)が得られる方法が望まれる。
On the other hand, when light having a wavelength tuned to the internal level (excitation level) of the atom is used, as shown in FIG. 8A, the first photon is excited and the excited state is maintained for about several ns. If the second photon is absorbed during that time, ionization will occur.
That is, in the resonance process, there is a time delay of several ns for the absorption of the second photon, so that the ionization probability increases rapidly when the laser light is adjusted to the resonance wavelength. This is called resonance ionization. The laser light source used for resonance ionization must be variable in wavelength, and the laser system that can withstand practical use, such as the repetition rate and energy of the laser, is even more severe than in the case of non-resonance. Therefore, even in the case of laser resonance ionization, a method that uses a wavelength variable laser with a certain repetition rate and energy to obtain the maximum effect (ionization probability) is desired.

図9に、固体試料としてジルコニウム(Zr)を用いた結果を示す。
横軸はレーザの波長であり、基本波の波長737.705nmを中心に737.69nm〜737.72nmの領域で共鳴によるイオン数増大効果が見られる(基本波の2倍波を用いたため、実際のレーザ光の波長はこれらの半分である)。
FIG. 9 shows the result of using zirconium (Zr) as a solid sample.
The horizontal axis represents the wavelength of the laser, and an effect of increasing the number of ions by resonance is observed in the region of 737.69 nm to 737.72 nm centered on the fundamental wavelength of 737.705 nm (because the second harmonic of the fundamental wave was used, The wavelength of the laser beam is half of these).

実験においては、レーザが入射する方向と、反射してきた方向(それぞれ、往路及び復路と称する。)それぞれに信号を切り分け、図9にプロットした。用いた反射鏡はAlコートミラーであり、反射率は90%である。   In the experiment, signals were separated into the laser incident direction and the reflected direction (referred to as the forward path and the return path, respectively) and plotted in FIG. The reflection mirror used is an Al coat mirror, and the reflectance is 90%.

図9に示されるように、復路においても往路とほぼ同等のイオン数が検出され、往路及び復路合計値に対する比を増大率とすれば、共鳴中心波長(737.705nm)において約2倍という効果が得られた。
共鳴イオン化過程では、前述のように、一旦、励起準位を経るため、イオン化確率と光子密度の関係は2乗ではなく、1乗(線形)である。今回、反射率は90%であったため、往路及び復路の単純和で1.9倍となる。
実際には僅かではあるが、単純和を上回る2倍という効果が得られた。これは次のように解釈される。共鳴イオン化過程では、1光子目を吸収して励起状態となる。この励起状態は元素や励起準位により異なるが、一般にナノ秒程度の寿命がある。
したがって、仮に往路のレーザにより励起され、引き続いて2光子目を吸収しなくても、復路のレーザにより2光子目を吸収する過程が起こり得る。即ち、共鳴イオン化における1回反射による入射光及び反射光のオーバーラップは単純な和よりもこの効果分だけ増大率は増えることが実証された。
As shown in FIG. 9, the number of ions almost the same as that in the forward path is detected in the return path, and if the ratio to the total value of the forward path and the return path is defined as an increase rate, the effect is about twice at the resonance center wavelength (737.705 nm). was gotten.
In the resonance ionization process, as described above, since the excitation level is once passed, the relationship between the ionization probability and the photon density is not a square but a square (linear). Since the reflectance was 90% this time, the simple sum of the forward and return paths is 1.9 times.
Actually, the effect was twice as much as the simple sum, although it was a little. This is interpreted as follows. In the resonance ionization process, the first photon is absorbed and becomes an excited state. This excited state differs depending on the element and the excited level, but generally has a lifetime of about nanoseconds.
Therefore, even if excited by the forward laser and subsequently does not absorb the second photon, a process of absorbing the second photon by the backward laser can occur. That is, it was proved that the increase rate of the overlap of the incident light and the reflected light by the single reflection in the resonance ionization is increased by this effect rather than the simple sum.

また、共鳴イオン化過程では、ドップラー効果が見られる場合がある。
イオンビーム照射点からは様々な方向に様々な運動エネルギーで原子が放出され、スパッタ原子群を成す。このスパッタ原子群に1方向からレーザが入射した場合、レーザ入射方向に対し、向かう方向に飛ぶ原子と離れる方向の原子が存在することになり、それぞれ、原子から見たレーザの振動数が変化する。これがいわゆるドップラー効果である。スパッタ原子群は様々な運動方向とエネルギーを持った集団であるため、共鳴効果が表れる波長には広がりが生じる。これを以下ではドップラー広がりと呼ぶ。仮に、ドップラー広がりの波長幅がレーザの線幅よりも広い場合はスパッタ原子群のうち、ドップラーシフトがレーザの線幅以内の原子しか共鳴イオン化しないことになる。これはイオン化確率の低下につながる。最も良い方法はレーザの線幅を可変とし、この線幅をドップラー広がりに一致させてしまうことであるが、一般に、レーザの線幅をその場で可変とすることは難しい。
In addition, a Doppler effect may be observed in the resonance ionization process.
From the ion beam irradiation point, atoms are emitted in various directions with various kinetic energies to form sputtered atoms. When a laser is incident on this sputtered atom group from one direction, there are atoms flying away from and in the direction away from the laser incident direction, and the frequency of the laser viewed from each atom changes. . This is the so-called Doppler effect. Since the sputtered atom group is a group having various motion directions and energies, the wavelength at which the resonance effect appears is broadened. This is called Doppler spread below. If the wavelength width of the Doppler broadening is wider than the line width of the laser, only atoms within the sputter atom group whose Doppler shift is within the laser line width will be resonantly ionized. This leads to a decrease in ionization probability. The best method is to make the laser line width variable and make this line width coincide with the Doppler broadening, but it is generally difficult to make the laser line width variable on the spot.

本発明における1回反射による共鳴イオン化では、上記ドップラー広がりにおいても効果があることを以下に示す。図10は、図9と同じデータであるが、簡単化して、レーザの入射光(往路)と反射光(復路)の信号強度のみを示してある。図10を見ると、レーザの往路と復路では共鳴ピーク波長が若干ずれていることが判る(レーザの往路が短波長側にシフトし、レーザの復路が長波長側にシフトしている)。   It will be shown below that resonance ionization by single reflection in the present invention is also effective in the Doppler broadening. FIG. 10 shows the same data as FIG. 9, but shows only the signal intensity of laser incident light (outward path) and reflected light (return path) in a simplified manner. Referring to FIG. 10, it can be seen that the resonance peak wavelength is slightly shifted between the laser forward path and the return path (the laser forward path is shifted to the short wavelength side and the laser return path is shifted to the long wavelength side).

今回用いたレーザ光源は線幅約0.005nmであり、ドップラー広がりに対してそれほど線幅が細くないのであるが、それでもレーザの往路と復路、つまり、レーザの通過方向に依存して共鳴波長がシフトしていることが示されており、レーザの往路と復路でそれぞれ別のドップラーシフト帯に作用していることが判る。このことから、図11A及び図11Bに示すように、特にレーザの線幅がドップラー広がりに対して狭い範囲にしか設定できない条件においては増大効果を見込むことができる。例えば、図11Aにおいて、レーザを左側から入射させた場合、レーザの中心波長をドップラーシフトの無い垂直方向成分のスパッタ原子群に同調させれば、太線で示した範囲内の原子がイオン化される。逆にいうと、それ以外の範囲(細線で示した範囲)はドップラーシフト量が大きく、共鳴条件から外れてしまう。   The laser light source used this time has a line width of about 0.005 nm, and the line width is not so thin with respect to the Doppler broadening, but the resonance wavelength still depends on the laser forward and backward paths, that is, the laser passing direction. A shift is shown, and it can be seen that the laser travels to different Doppler shift zones on the forward and return paths. From this, as shown in FIGS. 11A and 11B, it is possible to expect an increase effect especially under the condition that the line width of the laser can be set only within a narrow range with respect to the Doppler broadening. For example, in FIG. 11A, when the laser is incident from the left side, if the center wavelength of the laser is tuned to a sputtered atomic group having a vertical component without Doppler shift, atoms within the range indicated by the bold line are ionized. In other words, the other range (the range indicated by the thin line) has a large amount of Doppler shift and falls outside the resonance condition.

これに対し、図11Bのように、反射光を利用し、かつ、レーザの中心波長を線幅の半分ほど短波長側にセットしたうえで、イオン化を行うとする。この場合、入射時(パルスレーザの往路)では、垂直方向よりも左側に向けて出射した原子群を共鳴イオン化し、反射時(レーザの復路)では向きが変わるので、右側に向けて出射した原子群が共鳴イオン化する。
つまり、1回通過よりも、幅広いドップラー広がりに対して共鳴イオン化を起こさせることができる。図9や図10に示した実験結果はここに述べた効果は含むものの、レーザの線幅がドップラー広がりに対してそれほど細く無かったために、前述のように、レーザの往路と復路での光軸のオーバーラップ効果のみで実験結果が解釈できた。なお。レーザの線幅がより細い場合には、図11Bに示した手法がより有効である。
On the other hand, as shown in FIG. 11B, it is assumed that ionization is performed after using reflected light and setting the center wavelength of the laser to the shorter wavelength side by about half the line width. In this case, the atom group emitted toward the left side of the vertical direction at the time of incidence (pulse laser forward path) is resonantly ionized, and the direction changes at the time of reflection (laser return path), so the atoms emitted toward the right side. The group is resonantly ionized.
That is, it is possible to cause resonance ionization with respect to a broader Doppler spread than a single pass. Although the experimental results shown in FIG. 9 and FIG. 10 include the effects described here, since the laser line width is not so narrow with respect to the Doppler broadening, the optical axes in the laser forward path and the return path as described above. The experimental results could be interpreted only by the overlap effect. Note that. When the laser line width is narrower, the technique shown in FIG. 11B is more effective.

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、その主旨を逸脱しない範囲内において上記以外にも種々変形して実施することが可能であることは勿論である。   Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above, and various modifications other than the above can be implemented without departing from the spirit of the present invention. Of course.

20 質量分析装置
22 真空チャンバ
24 試料台
24A 表面
26 イオンビーム源
28 レーザ光源
30 反射鏡
32 分析部
34 取出口
36 開閉扉
38 透過ガラス
40 台座
42 制御部
50 質量分析装置
52 試料台
52A 表面
L1 レーザ光
L2 反射光
X 固体試料
DESCRIPTION OF SYMBOLS 20 Mass spectrometer 22 Vacuum chamber 24 Sample stand 24A Surface 26 Ion beam source 28 Laser light source 30 Reflector 32 Analyzing part 34 Outlet 36 Opening and closing door 38 Transmission glass 40 Base 42 Control part 50 Mass spectrometer 52 Sample stage 52A Surface L1 Laser Light L2 Reflected light X Solid sample

Claims (7)

真空チャンバと、
前記真空チャンバ内に配置された試料台と、
前記試料台上に配置された固体試料にイオンビームを照射して原子を放出させるイオンビーム源と、
前記固体試料の前記イオンビームの照射領域の上方にレーザ光を通過させるレーザ光源と、
前記真空チャンバ内に配置され、前記レーザ光を反射し、前記照射領域の上方で前記レーザ光と反射光とを重ね合わせる反射鏡と、
前記レーザ光及び前記反射光によってイオン化された前記原子の質量を分析する分析部と、
を有する質量分析装置。
A vacuum chamber;
A sample stage disposed in the vacuum chamber;
An ion beam source for emitting an atom by irradiating a solid sample disposed on the sample stage with an ion beam;
A laser light source that allows a laser beam to pass above the irradiation region of the ion beam of the solid sample;
A reflecting mirror that is disposed in the vacuum chamber, reflects the laser light, and superimposes the laser light and the reflected light above the irradiation region;
An analysis unit for analyzing the mass of the atoms ionized by the laser light and the reflected light;
Having a mass spectrometer.
前記レーザ光の光軸と前記反射光の光軸が同軸となるように前記反射鏡が前記試料台に取り付けられている、請求項1に記載の質量分析装置。   The mass spectrometer according to claim 1, wherein the reflecting mirror is attached to the sample stage so that an optical axis of the laser light and an optical axis of the reflected light are coaxial. 前記反射光同士が前記照射領域の上方で複数回重なり合うように複数の前記反射鏡が前記試料台に取り付けられている、請求項1に記載の質量分析装置。   The mass spectrometer according to claim 1, wherein the plurality of reflecting mirrors are attached to the sample stage so that the reflected lights overlap each other a plurality of times above the irradiation region. 真空チャンバと、
前記真空チャンバ内に配置された試料台と、
前記試料台上に配置された固体試料にイオンビームを照射して原子を放出させるイオンビーム源と、
前記試料台の表面に平行にレーザ光を照射するレーザ光源と、
前記真空チャンバ内に複数配置され、前記レーザ光を反射し、反射光同士を前記固体試料の前記イオンビームの照射領域の上方で重ね合わせる反射鏡と、
少なくも前記反射光によってイオン化された前記原子の質量を分析する分析部と、
を有する質量分析装置。
A vacuum chamber;
A sample stage disposed in the vacuum chamber;
An ion beam source for emitting an atom by irradiating a solid sample disposed on the sample stage with an ion beam;
A laser light source for irradiating a laser beam parallel to the surface of the sample table;
A plurality of reflectors arranged in the vacuum chamber, reflecting the laser light, and superimposing the reflected lights on an irradiation area of the ion beam of the solid sample;
An analysis unit for analyzing a mass of the atom ionized by at least the reflected light;
Having a mass spectrometer.
前記レーザ光源は、前記固体試料に含まれる原子の種類に応じて、前記レーザ光の波長を変更可能とされている、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の質量分析装置。   The mass spectrometer according to any one of claims 1 to 4, wherein the laser light source is capable of changing a wavelength of the laser light according to a kind of atoms contained in the solid sample. 前記試料台は、前記真空チャンバに対して着脱可能に装着され、
前記真空チャンバには、前記試料台を取り出すための取出口が設けられている、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の質量分析装置。
The sample stage is detachably attached to the vacuum chamber,
The mass spectrometer according to any one of claims 1 to 5, wherein the vacuum chamber is provided with an outlet for taking out the sample stage.
固体試料が配置された試料台を真空チャンバ内に配置し、前記真空チャンバ内を真空状態にする工程と、
前記固体試料にイオンビームを照射して前記固体試料から原子を放出させる工程と、
前記固体試料の前記イオンビームの照射領域の上方にレーザ光を通過させて前記原子をイオン化させる工程と、
前記レーザ光と重なり合うように反射させた反射光によって、前記レーザ光でイオン化しなかった前記原子をイオン化させる工程と、
イオン化された前記原子の質量を分析する工程と、
を有する質量分析方法。
Placing a sample stage on which a solid sample is placed in a vacuum chamber, and evacuating the vacuum chamber;
Irradiating the solid sample with an ion beam to release atoms from the solid sample;
Passing the laser beam above the ion beam irradiation region of the solid sample to ionize the atoms;
Ionizing the atoms that have not been ionized with the laser light by the reflected light reflected so as to overlap the laser light;
Analyzing the mass of the ionized atoms;
A mass spectrometric method.
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