JP2869517B2

JP2869517B2 - 荷電粒子の捕獲供給装置

Info

Publication number: JP2869517B2
Application number: JP7215698A
Authority: JP
Inventors: 敏彦金山
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1995-08-24
Filing date: 1995-08-24
Publication date: 1999-03-10
Anticipated expiration: 2015-08-24
Also published as: JPH0961597A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子やイオンなど
の荷電粒子を所定の空間に電磁的に保持し、かつ空間外
に供給する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６は、空間に荷電粒子を捕獲する従来
の方法を表す。図６（ａ）はいわゆる４重極質量分離器
で、図６（ｂ）はこれと同じ原理に基づいて３次元的に
荷電粒子を閉じこめるポールトラップである。また、図
６（ｃ）は、電界と磁界を直交させて印加することに基
づくいわゆるペニングトラップである。

【０００３】図６（ａ）では、４つの捕獲電極３１〜３
４で荷電粒子を捕獲したい空間を取り囲む。この４つの
電極の内、対向する２つの電極３１と３３に図のように
交流電源２より高周波電圧を印加し、捕獲したい空間に
高周波電界を発生させる。この方法は、電極に高周波を
印加した時にその中に置かれた荷電粒子に働く力が、時
間平均すると電界勾配の小さい方向に作用するという原
理を利用して荷電粒子を電極で囲まれた空間に２次元的
に捕獲する。また、図６（ｂ）では、回転双曲面状の捕
獲電極３５，３６と、内面が回転双曲面のリング状の捕
獲電極３７を用いて、捕獲したい空間を３次元的に取り
囲むことにより、図６（ａ）と同じ原理により３次元的
に粒子を捕獲する。上記の原理から明らかなように、こ
れらの方法では荷電粒子を閉じこめたい空間での電界勾
配をその周辺に比べて小さくする必要があり、その回り
を電極で密に取り囲むことが必要となる。また、図６
（ａ）の構成が質量分離器として広く用いられているこ
とから分かるように、この捕獲原理は荷電粒子の質量に
敏感である。この理由は、上記の捕獲原理が荷電粒子を
高周波電界により振動させることに基づいていることに
よる。即ち、質量の大きな粒子には振動の振幅が小さい
ために捕獲のための力が作用しない。また、軽い粒子は
振動の振幅が大きいために電極に衝突してしまう。

【０００４】図６（ｃ）では、図６（ｂ）と同じ構成の
電極に、直流電源３によって荷電粒子を図のｚ方向に閉
じこめ、水平方向（図のｒ方向）に発散させる方向の直
流電圧を印加する。同時に磁石３８によってｚ方向の磁
界３９を発生させる。上記の直流電圧によって荷電粒子
が中心から水平方向に遠ざかる運動が生じるが、この運
動の方向を磁界３９によって曲げることにより粒子が逃
げ去るのを抑制する。粒子が磁界から受ける力は粒子の
速度に比例するため、電極に同じ電圧を印加しても重い
粒子には磁界による閉じこめ効果は少ない。従って、こ
の方法では、重イオンなどの質量の大きな粒子を捕獲し
ようとすると極めて大きな磁界を必要とするため、捕獲
できる粒子の質量やエネルギーが小さい値に限られる。

【０００５】このように上記の従来方法で捕獲できる粒
子の質量は、狭い範囲に限られる。

【０００６】また、図７は本願発明の発明者が先に出願
した荷電粒子の捕獲装置である（特開平４−２９６６９
９号公報参照）。この方法では、図のように１組の中心
電極４と外部電極５を用意し、これに交流電源６から交
流電圧を印加し、さらに直流電源７から直流電圧を重畳
させて印加することにより、中心電極の回りの空間にあ
る荷電粒子８に、中心電極からの距離の増大とともに強
度が減少する交流電界と、中心電極に向かう力を及ぼす
直流電界とを重畳させて加える。この方法では、広い質
量範囲の荷電粒子を同時に捕獲できるが、逆に、特定の
質量の粒子のみを選別して取り出すことはできない。

【０００７】以上のように、従来の方法は荷電粒子を捕
獲できるものの、特定の質量の粒子を捕獲できるか、あ
るいは、広い質量の範囲の粒子を捕獲できるかのどちら
かであり、捕獲している広い質量範囲の荷電粒子から特
定の質量を持つものを選択的に取り出し、それを外部に
自動的に供給することはできなかった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本願発明は、図７に示
した従来の方法を改良し、広い質量範囲の荷電粒子を所
定の空間に捕獲すると同時に、特定の値以上の質量の粒
子を自動的かつ選択的に捕獲空間の外部に取り出し供給
することを目的とする。このような装置は、特に、電磁
的な荷電粒子の捕獲方法を、空間に保持した状態での結
晶成長のような、容器の壁から完全に隔離した状態での
材料処理などに適用するために、実現が望まれていた。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の問題を解決するた
め、本発明は、中心軸の回りに対称的に配置された４本
以上の偶数本の柱状電極からなる中心電極と、前記偶数
本の柱状電極のそれぞれの一端部を取り囲む外部電極
と、前記偶数本の柱状電極のそれぞれに交互に位相の反
転した交流電圧を供給するように接続された交流電源
と、この交流電源に前記偶数本の柱状電極と前記外部電
極との間の空間に存在する荷電粒子に対して前記柱状電
極に向かう引力として作用する直流バイアスを与える直
流電源とから成ることを特徴とする。

【００１０】ここで、偶数本の柱状電極の本数が、４本
であってもよく、偶数本の柱状電極の内、１つおきに配
置された半数の柱状電極のそれぞれの前記一端部が、そ
れ以外の半数の柱状電極のそれぞれの前記一端部よりも
等しい長さだけ突き出していてもよい。

【００１１】交互に位相の反転した交流電圧の電圧が互
いに異なってもよく、交流電源が周波数可変であっても
よい。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は本発明の基本的な実施例を
表す図であり、中心電極１１が４本の柱状電極１１Ａ〜
１１Ｄからなる場合を示している。図のように、中心軸
１２の回りに対称的に配置された４本の柱状電極１１Ａ
〜１１Ｄに交流電源１３を接続し、柱状電極１１Ａ〜１
１Ｄのそれぞれに交互に位相の反転した交流電圧を供給
する。図では、トランスを用いて交流電源１３を構成
し、４本の柱状電極に１本置きに位相を反転させて交流
電圧を供給している。また、柱状電極１１Ａ〜１１Ｄの
それぞれの一端部１１ａ〜１１ｄを取り囲むように外部
電極１５を設ける。この交流電源１３に、中心電極１１
と外部電極１５との間の空間に存在する荷電粒子１６に
対して中心電極１１の方向への引力として作用する直流
バイアスを与える直流電源１４を接続する。図１では、
すべての柱状電極１１Ａ〜１１Ｄに共通の直流バイアス
を与えているが、引力として作用する、つまり、極性が
同じであれば、必ずしもすべてに同じ値の直流バイアス
を与える必要はない。このようにして、中心電極１１に
荷電粒子１６を引きつける方向の直流電圧と、交流電圧
とを重畳して印加する。例えば正イオンを捕獲するに
は、図のように外部電極に対して各柱状電極に負の直流
電圧を加える。この時、外部電極１５の目的は、中心電
極１１の回りの電界を規定するためであり、隙間なく中
心電極を囲む必要はなく、図のように適当な間隙を設け
てよい。また、本発明の方法で重要なのは柱状電極付近
の電界のみなので、外部電極は、単に回りを取り囲んで
いれば良く、その形状の詳細は重要でない。例えば、図
では外部電極も軸対称な構造を持つが、必ずしもその必
要はない。逆に、各柱状電極は、質量選択性良く荷電粒
子を取り出すために、中心軸の回りに対称的な構造をと
ることが望ましい。

【００１３】この構成をとることで、広い質量範囲の荷
電粒子を各柱状電極１１Ａ〜１１Ｄと外部電極５との間
の空間に高密度に捕獲でき、かつ、捕獲した荷電粒子の
中から特定の値以上の質量の荷電粒子を各柱状電極の外
部電極で囲まれた一端部から自動的選択的に各柱状電極
で囲まれた中心軸の回りの空間に取り込み、この空間を
通して、各柱状電極のもう１つの端部の側から選択的に
外部に取り出せる。

【００１４】本発明の装置で、中心電極と外部電極との
間の中心電極の回りの空間に荷電粒子を捕獲する原理は
先願発明と同じである。すなわち、各柱状電極に印加し
た直流電圧による静電引力により荷電粒子を捕獲する。
ところが、単に引力のみでは、捕獲した粒子はやがては
柱状電極に衝突してしまう。本発明の方法では、交流電
圧を重畳して印加することによりこれを防止する。ここ
で、交流電界の強度が中心電極から距離の増大とともに
減少していると、この交流電界から荷電粒子が受ける力
は、時間平均すると中心電極から遠ざかる方向に、つま
り斥力として働き、直流電界による引力と平衡して荷電
粒子を空間に保持する。この時、交流電界による斥力の
大きさは、交流の周波数をｆとすると、１／ｍｆ²（ｍ
は荷電粒子の質量）に比例し、粒子の質量に反比例す
る。従って、直流電界による引力との平衡位置は、粒子
の質量が大きいほど中心電極に近くなる。

【００１５】一方、複数の柱状電極で囲まれた内部の空
間、すなわち中心電極内部の空間にも、交流電界の同様
の作用で荷電粒子を捕獲できる。また、本発明の装置構
成では、中心電極を構成する各柱状電極の一端部が外部
電極で囲まれているので、各柱状電極のこの一端部と外
部電極との間にも荷電粒子を捕獲する空間が形成され
る。しかも中心電極の端部ではその中心部分、図１，図
２の中心軸上、で交流電界による荷電粒子に対する反発
力が最も弱い。従って、印加された直流バイアスによる
引力が反発力に打ちかって荷電粒子を中心電極の内部空
間に引き込む。この場合には、柱状電極の長さに沿う方
向には閉じこめの力が働かないので、捕獲された粒子は
中心軸に沿って自由に移動できることになる。このよう
な内部への閉じこめの原理は、やはり交流電界の作用が
時間平均すると斥力として作用することに基づいている
が、粒子の質量が小さすぎると、交流電界の作用が大き
いので粒子の運動が共鳴的に加速されてしまい、安定に
捕獲することができない。これにより、中心電極の内部
空間を通過できる粒子の質量には下限が発生する。つま
り、交流電圧をＶ_acで表すと、Ｖ_ac／ｍｆ²が、柱状電
極の構造で決まるある特定値以下になると中心電極の内
部空間をイオンが通過可能になる。図１のように、全て
の柱状電極に共通の直流バイアスを加えた場合には、内
部の空間には直流電界が発生しないが、柱状電極ごとに
直流バイアスを変えることで、粒子の通過特性を変化さ
せられる。

【００１６】従って、本願発明の構成をとると、上記の
中心電極の外部の空間での荷電粒子の捕獲特性と内部の
空間での捕獲特性を自動的に結合させ、外部の空間に広
い範囲の質量の粒子を捕獲しながら同時に、特定の値以
上の質量の粒子を内部の空間を通じて取り出すことがで
きる。つまり、質量の小さな粒子は外部の空間に捕獲さ
れているときは中心電極から離れた位置に捕獲されてい
るので、中心電極の内部にはいることはできず、安定に
捕獲され続ける。逆に、質量の大きな粒子は外部空間で
の捕獲位置が中心電極に近く、容易にその内部に取り込
まれるが、取り込まれたあとも安定に内部を通過できる
ので、外部捕獲を構成していない柱状電極のもう１つの
端部から、自動的に取り出され、供給される。

【００１７】この時、柱状電極の本数は、４本が最も実
用的な構成である。４重極は、通常、質量分析器に用い
られているとおり、内部空間での粒子の通過特性がもっ
とも質量に敏感である。しかし、上記の本願発明の原理
は、４重極に限られることはなく、６本など任意の偶数
本の柱状電極に対して同様に成り立つ。

【００１８】この時、柱状電極の粒子を捕獲する側の端
部１１ａ〜１１ｄは、図２（ａ）のようにすべての柱状
電極１１Ａ〜１１Ｄが同じ長さを持っていても、また、
不揃いであっても、上記の本願発明の原理は同様に成立
する。しかし、図２（ｂ）のように、偶数本の柱状電極
の内、１つおきに配置された半数の柱状電極、例えば１
１Ａ，１１Ｂの端部１１ａ，１１ｂが、それ以外の半数
の柱状電極１１Ｃ，１１Ｄの端部１１ｃ，１１ｄよりも
等しい長さだけ突き出している構成をとると、図２
（ａ）の場合に比べて粒子の捕獲特性を向上させること
ができる。即ち、図２（ｂ）の構成をとると、長さが長
い半数の柱状電極１１Ａ，１１Ｂと、短い半数の柱状電
極１１Ｃ，１１Ｄに印加されている交流電圧が、ちょう
ど位相が反転している。その結果、各柱状電極と外部電
極１５の間の空間では、位相の反転する交流電圧が相殺
し合わず、長さが長い半数の柱状電極１１Ａ，１１Ｂに
加えられた位相の交流電界が優勢で、結果として、柱状
電極からの距離に対して交流電界の減衰の仕方が緩やか
になっている。これは、特に柱状電極の端部に近い部分
で、交流電界から荷電粒子に働く実効的な斥力を大きく
する効果をもたらし、捕獲粒子の平衡位置を柱状電極か
ら遠ざける作用を果たす。その結果、捕獲した粒子が柱
状電極に衝突したり、あるいは柱状電極近くの狭い領域
に捕獲されるために荷電粒子同士の反発により粒子が失
われることが防止され、捕獲特性が向上する。このよう
に柱状電極の長さを不同にしても、柱状電極の内部を通
じて粒子を取り出す特性は変化しない。

【００１９】上述のように、柱状電極の長さを不同にす
る目的は、位相の反転する交流電圧が相殺し合うのを部
分的に妨げるためにある。従って、長さが等しい柱状電
極を用いても、それに交互に供給する位相の反転した交
流電圧が、互いに異なっていれば、やはり、互いの相殺
効果が弱まるので、上記の柱状電極の長さを不同にした
ときと全く同じ効果が得られる。

【００２０】以下、具体的な実験例につき説明する。

【００２１】図３（ａ）に示した構成の装置で、Ｘｅと
Ａｒのイオンを捕獲し、上記の特性を実際に確認した。
この図の例は、図１の構成、即ち、中心軸の回りに対称
的な４本の柱状電極を配置する方法を用いている。ただ
し、図３（ａ）では交流電源および直流電源の図示を省
略している。ここでは、それぞれ直径１ｃｍのステンレ
ス円筒からなる柱状電極１１Ａ〜１１Ｄを、図３（ｂ）
に断面図を示すようにそれぞれの円筒の軸が中心軸１２
から半径１ｃｍの周上に並ぶように配置して中心電極と
した。その回りに外部電極１５として、直径１７ｃｍ、
長さ２０ｃｍの円筒状の金網を配置した。その中に、各
柱状電極が１５ｃｍだけ突き出している。すなわち、柱
状電極の一方の端部が外部電極に囲まれている。この中
心電極の内部、すなわち柱状電極１１Ａ〜１１Ｄで囲ま
れた空間の内部を通過して取り出されるイオンを検出す
るために、柱状電極の他端側に４重極質量分析器１７を
配置した。また、中心電極と外部電極の間に捕獲されて
いるイオンを検出するために、外部電極１５の一部に開
口部１５Ａを設け、その後ろに引き出し電極１８を配置
した。この引き出し電極の目的は、これに負のパルス電
圧を印加して捕獲した荷電粒子を引き出し、４重極質量
分析器１９で捕獲した粒子の質量を測定することであ
る。

【００２２】この実験装置で、次のようにして特性を測
定した。はじめに、図１のトランスを用いた回路で、各
柱状電極１１Ａ〜１１Ｄに外部電極１５に対して−４Ｖ
の直流電圧と、交互に位相の反転した振幅１００Ｖ（Ｖ
_p-p ＝２００Ｖ）の交流電圧を印加した。この電圧を保
ったまま、ＸｅあるいはＡｒガスを５×１０^-5Ｐａ程度
導入する。次に電子ビーム源２０を１０ｍｓの間だけ作
動させ、エネルギー約１００ｅＶの電子ビームをパルス
的に照射して導入した希ガスをイオン化し、中心電極の
回りに捕獲した。その後、上記の２つの４重極質量分析
器１７，１９でイオンの捕獲特性と、中心電極の内部空
間を通過してのイオンの取り出し特性を測定した。

【００２３】図４は交流電圧の周波数ｆを変化させて、
中心電極の内部空間を通過してくるＸｅイオンとＡｒイ
オンを計数した結果である。後述のようにｆ＝５００ｋ
Ｈｚでも中心電極の周辺の空間には、ＸｅとＡｒイオン
が共に捕獲されているが、図のように、中心電極の内部
を通過して漏れ出すことはできない。ｆを５９０ｋＨｚ
に増加させると中心電極の内部通過の条件が満たされ、
Ｘｅイオンの計数が急速に立ち上がる。図のようにＸｅ
イオンが計数される周波数領域は、Ａｒイオンと明瞭に
分離されていて、質量選択したイオンの取り出しが可能
なのが分かる。この２つの領域はイオンの質量比の平方
根（＝１．８）だけ異なっており、特性が設計通りにＶ
_ac／ｍｆ²で決まることを示している。

【００２４】図５は上記と同じ条件で、中心電極と外部
電極の間の空間に捕獲されているＸｅイオンの捕獲寿命
を測定した結果である。ここでは捕獲寿命を、捕獲され
ている荷電粒子の数が捕獲開始時の値から１／ｅになる
時間と定義している。また、この図では、図２（ａ）の
ように４本の柱状電極の長さが全て等しい場合と、図２
（ｂ）のように４本の内２本が１ｃｍだけ突き出した場
合（従って、外部電極の中に突き出している全長は１５
ｃｍと１６ｃｍの２種類）を比較している。この両方の
場合に、交流の周波数ｆを増加させると、粒子の捕獲位
置が柱状電極に近づくことに起因して捕獲寿命が緩やか
に減少する。また、ｆ＝５９０ｋＨｚで中心電極の内部
を通過して粒子が流出し始めるので、捕獲寿命が急速に
減少する。しかし、４本の柱状電極の長さが全て等しい
場合（図には０ｃｍと記載）と４本の内２本が１ｃｍだ
け突き出した場合を比較すると、後者の方がｆの増加に
伴う捕獲寿命の減少が緩やかであることがわかる。しか
し、この突き出しの長さをさらに２ｃｍに増加させると
捕獲特性が逆に劣化した。

【００２５】また、上記と同じ装置でほぼ同様の条件で
メタンガスを原料としてＣ₁₁のクラスターが選択的に取
り出せることを実験的に確認した。この場合には、装置
内に約１０^-4Ｐａのメタンガスと約１０^-3ＰａのＨｅガ
スを導入し、これに、エネルギー約１００ｅＶの電子ビ
ームを連続照射した。交流電圧の周波数ｆを５９０ｋＨ
ｚに保ったところ、中心電極の内部空間を通過してＣ₁₁
⁺ のクラスターイオンが流出してくることが確認でき
た。このＣ₁₁のクラスターは、柱状電極と外部電極の間
の空間に捕獲されたＣＨ_x ⁺イオンが、やはり電子ビーム
照射で形成されたＣＨ_xラジカルと反応して形成された
ものと考えられる。

【００２６】以上の実験により、本発明の方法の有効性
を確認することができた。

【００２７】特定の荷電粒子のみを対象とする場合に
は、交流電圧の周波数は予め定められた値に固定すれば
よい。しかし、上述したように、複数種の荷電粒子を対
象とする場合には交流電源の周波数を可変とするのがよ
い。

【００２８】

【発明の効果】本発明の装置により、広い質量範囲とエ
ネルギー範囲に亘る荷電粒子を高密度に捕獲でき、か
つ、特定の値以上の質量の荷電粒子を選択的に外部に取
り出し供給できる。従って、本発明の装置は、捕獲した
粒子を種とする微結晶の成長、捕獲粒子と反応ガスとの
反応のような空間中に隔離した状態での材料処理など目
的に供すると著しい効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】４本の柱状電極からなる中心電極を用いる場合
の本発明の原理的な構成を表す図である。

【図２】柱状電極と外部電極の代表的な構造を表す側面
図である。

【図３】具体的な実験例の装置構成を表す図である。

【図４】図３の構成で、交流電圧の周波数を変化させ
て、中心電極の内部空間を通過してくるＸｅイオンとＡ
ｒイオンを計数した結果を示す図である。

【図５】図４と同じ条件で、中心電極と外部電極の間の
空間に捕獲されているＸｅイオンの捕獲寿命を測定した
結果を示す図である。

【図６】従来の方法を表す図である。

【図７】本願発明の発明者が先に出願した荷電粒子の捕
獲装置を示す図である。

【符号の説明】

２従来方法で用いられる交流電源３従来方法で用いられる直流電源４先願方法の中心電極５先願方法の外部電極６先願方法の交流電源７先願方法の直流電源１１中心電極１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ柱状電極１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ柱状電極の一端部１２中心軸１３交流電源１４直流電源１５外部電極１６荷電粒子１７，１９質量分析器１８引き出し電極２０電子ビーム源３１，３２，３３，３４従来方法で用いられる捕獲電
極３５，３６従来方法で用いられる回転双曲面状の捕獲
電極３７従来方法で用いられる内面が回転双曲面のリング
状の捕獲電極３８従来方法で用いられる磁石３９従来方法で用いられる磁界

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】中心軸の回りに対称的に配置された４本
以上の偶数本の柱状電極からなる中心電極と、前記偶数
本の柱状電極のそれぞれに交互に位相の反転した交流電
圧を供給するように接続された交流電源と、この交流電
源に前記柱状電極の周辺の空間に存在する荷電粒子に対
して前記柱状電極に向かう引力として作用する直流バイ
アスを与える直流電源とから成る荷電粒子の捕獲供給装
置において、前記柱状電極から成る中心電極の一端部を取り囲む外部
電極を備え、前記中心電極と前記外部電極との間の空間
に存在する荷電粒子を、前記の４本以上の偶数本の柱状
電極で囲まれた空間を経由して、前記中心電極の他端部
へ輸送することを特徴とする荷電粒子の捕獲供給装置。
【請求項２】前記偶数本の柱状電極の本数が、４本で
あることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子の捕獲
供給装置。
【請求項３】前記偶数本の柱状電極の内、１つおきに
配置された半数の柱状電極のそれぞれの前記一端部が、
それ以外の半数の柱状電極のそれぞれの前記一端部より
も等しい長さだけ突き出していることを特徴とする請求
項１または２に記載の荷電粒子の捕獲供給装置。
【請求項４】前記交互に位相の反転した交流電圧の電
圧が互いに異なることを特徴とする請求項１から３のい
ずれかに記載の荷電粒子の捕獲供給装置。
【請求項５】前記交流電源が周波数可変であることを
特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の荷電粒子
の捕獲供給装置。