JP4181082B2 - ラザフォード後方散乱分析装置に用いる磁場発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、ラザフォード後方散乱分析装置に用いる磁場発生装置に関するものである。

従来から、ラザフォード後方散乱分析装置に用いる磁場発生装置は公知となっている。例えば、下記特許文献１に開示されるものがある。この特許文献１のものは、イオン源と加速管とを備えてイオンビームを投射する加速器と、対物コリメータによって絞られた上記イオンビームが通過するビームダクトに連通して設けられる測定室と、該測定室内に配設される試料の近傍から散乱イオンの検出に必要な所定範囲内にイオンビームの入射方向上流に向けてビーム軸に平行且つ均一な磁場を発生させるソレノイドコイル及びマグネットヨーク（磁場発生手段）と、測定室内の磁場領域内のビーム入射方向上流側に配設されたアパーチャ及び検出器とを具備して構成されている散乱イオンによる分析装置である。
特許第３２７３８４４号公報

しかし、特許文献１で開示される磁場発生手段は、イオンが飛翔する試料空間での磁場の均一性を高め、かつ、装置周辺での磁場を小さくするためにソレノイドコイルを囲うマグネットヨークが用いられているが、試料空間での十分な磁場の均一性を得るためには、マグネットヨークの材料を飽和磁束密度の高いものとしなければならない。しかし、飽和磁束密度の高い材料は高価であり、磁場発生手段、ひいては分析装置の高コスト化が避けられなかった。

そこで、本発明の目的は、低コストでありながら試料空間における磁場の均一性を許容範囲内程度に保持でき、かつ軽量のラザフォード後方散乱分析装置に用いる磁場発生装置を提供することである。

本発明は、筒状の磁性容器と、前記磁性容器の両端に設けられ、前記磁性容器と同軸上に配置される円柱状の突部を有する円板状の磁性蓋と、前記磁性容器と同軸であり、前記磁性容器内部に設けられるソレノイドコイルとを備えるラザフォード後方散乱分析装置に用いる磁場発生装置であって、前記磁性蓋のそれぞれが、前記突部を前記磁性容器内側に向けて配置されるものであり、前記磁性蓋のうちいずれか一方が、その中心軸上にイオンビームを通過させるための孔を有し、さらに、前記磁性蓋のどちらか一方又は両方の前記突部と反対側の前記磁性蓋の中心部に凹部を有するものである。

本発明によれば、低コストでありながら試料空間における磁場の均一性を許容範囲内程度に保持でき、しかも軽量のラザフォード後方散乱分析装置に用いる磁場発生装置を提供することができる。

次に、本発明の実施形態に係るラザフォード後方散乱分析装置に用いる磁場発生装置を説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るラザフォード後方散乱分析装置に用いる磁場発生装置の断面図である。なお、図１における点線は、本発明の第１実施形態に係るラザフォード後方散乱分析装置に用いる磁場発生装置で発生する代表的な磁力線の流れを模式的に示したものである。

本発明の第１実施形態に係るラザフォード後方散乱分析装置に用いる磁場発生装置１０は、筒状の磁性容器１と、磁性容器１の両端に設けられ、磁性容器１と同軸上に配置される円柱状の突部２ａ、３ａをそれぞれ有する円板状の磁性蓋２、３と、磁性容器１と同軸であり、磁性容器１内部に設けられるソレノイドコイル４とを備え、磁性蓋２、３のそれぞれが、突部２ａ、３ａを磁性容器１内側に向けて配置されるものであり、磁性蓋２が、その中心軸上にイオンビームを通過させるための孔２ｂを有し、さらに、磁性蓋３の突部３ａと反対側の磁性蓋３の中心部に凹部３ｂを有するものである。

磁性容器１、磁性蓋２、３は、強磁性体である。ここでは磁性容器１および磁性蓋２、３の平板部分には電磁軟鉄を用い、磁性蓋２、３の突起部分には５０％鉄５０％コバルトの材質のものを用いた。鉄の飽和磁化は約２Ｔであるが、超電導マグネット端部での磁場をできるだけ中心磁場に近づけるためには、磁性蓋２、３の突起部分の材料は飽和磁化が大きい方が望ましい。また、本磁場発生装置１０は定常磁場で運転されるだけでなく、磁場強度を変化させて運転されることがある。このときに磁場分布はできるだけ運転電流に依存しないほうが望ましく、磁性蓋２、３の突起部分の磁気特性はできるだけ線形であることが望ましい。これら２点の要求を満たすために、磁性蓋２、３の突起部分の材料としては鉄コバルト合金を選択した。この材料の飽和磁化は約２．４Ｔであり、回転磁化範囲は鉄に比べて約０．３Ｔ増加している。

ソレノイドコイル４は、電磁石であり、超電導線材からなるものでも常電導線材からなるものでもよい。

上記構成により、ソレノイドコイル４に電流が流され、励磁された際には、図１の点線に示すように、磁力線が、ソレノイドコイル４内部空間では、ソレノイドコイル４の軸方向と平行に流れ、次に、磁性蓋２の突部２ａ内へと侵入し、磁性蓋２の平面部内、磁性容器１内、磁性蓋３の平面部内の順に流れることとなる。そして、磁性蓋３の突部３ａへ流れてからソレノイドコイル４内部空間へと送出される。このように、磁力線のループができる。

本実施形態によれば、ソレノイドコイル４内部の試料空間における磁場の均一性を許容範囲内程度に保持でき、しかも軽量のラザフォード後方散乱分析装置に用いる磁場発生装置１０を提供することができる。また、材料を節約できるため低コストである。さらに、磁力線のループを装置内に形成できるので、外部に磁場が漏れることを抑制できる。

次に、本発明の第２実施形態に係るラザフォード後方散乱分析装置に用いる磁場発生装置を説明する。図２は、本発明の第２実施形態に係るラザフォード後方散乱分析装置に用いる磁場発生装置の断面図である。なお、図２における点線は、本発明の第２実施形態に係るラザフォード後方散乱分析装置に用いる磁場発生装置で発生する代表的な磁力線の流れを模式的に示したものである。
また、上記第１実施形態と同様の部分については説明を省略することがある。

第２実施形態に係るラザフォード後方散乱分析装置に用いる磁場発生装置２０は、第１実施形態に係るラザフォード後方散乱分析装置に用いる磁場発生装置１０とほぼ同様の構成であるが、磁性蓋３の突部３ａと反対側の磁性蓋３の中心部に凹部３ｂを有するものでなく、凹部３ｂ部分が平面となっている点と、磁性蓋２の突部２ａと反対側の磁性蓋２の中心部に凹部２ｃを有するものである点で異なる（図２参照）。

上記構成により、ソレノイドコイル４に電流が流され、励磁された際には、図２の点線に示すように、磁力線が、ソレノイドコイル４内部空間では、ソレノイドコイル４の軸方向と平行に流れ、次に、磁性蓋２の突部２ａ内へと侵入し、磁性蓋２の平面部内、磁性容器１内、磁性蓋３の平面部内の順に流れることとなる。そして、磁性蓋３の突部３ａへ流れてからソレノイドコイル４内部空間へと送出される。このように、磁力線のループができる。

本実施形態によれば、上記第１実施形態と同様の効果が得られる。

次に、本発明の第３実施形態に係るラザフォード後方散乱分析装置に用いる磁場発生装置を説明する。図３は、本発明の第３実施形態に係るラザフォード後方散乱分析装置に用いる磁場発生装置の断面図である。なお、図３における点線は、本発明の第３実施形態に係るラザフォード後方散乱分析装置に用いる磁場発生装置で発生する代表的な磁力線の流れを模式的に示したものである。
また、上記第１実施形態及び第２実施形態と同様の部分については説明を省略することがある。

第３実施形態に係るラザフォード後方散乱分析装置に用いる磁場発生装置３０は、第１実施形態とほぼ同様の構成であるが、さらに、磁性蓋２の突部２ａと反対側の磁性蓋２の中心部にも第２実施形態と同様の凹部２ｃを有するものである点で異なる（図３参照）。

上記構成により、ソレノイドコイル４に電流が流され、励磁された際には、図３の点線に示すように、磁力線が、ソレノイドコイル４内部空間では、ソレノイドコイル４の軸方向と平行に流れ、次に、磁性蓋２の突部２ａ内へと侵入し、磁性蓋２の平面部内、磁性容器１内、磁性蓋３の平面部内の順に流れることとなる。そして、磁性蓋３の突部３ａへ流れてからソレノイドコイル４内部空間へと送出される。このように、磁力線のループができる。

本実施形態によれば、上記第１実施形態及び第２実施形態と同様の効果が得られる。

次に、実施例を示して、具体的に本発明を説明する。
（実施例１〜３）
上記第１実施形態〜第３実施形態に係るラザフォード後方散乱分析装置に用いる磁場発生装置を実施例１〜３として、それぞれのソレノイドコイル４の軸上の色々な位置での磁場の強さＢ（ｚ）を測定した。ここで、ｚとはソレノイドコイル４の中心からの軸方向の距離のことである。したがってソレノイドコイル４の中心はｚ＝０である。
なお、ここでは磁場測定センサーとしてホール素子を用いた。空間上の測定すべき場所に磁場測定センサーを配置する移動機構を用いてセンサーの位置を設定し、その位置での磁場を測定後、次の測定位置にセンサーを移動し、その位置での磁場を測定するという操作を繰り返すことにより、ソレノイドコイルの軸上の磁場分布を測定した。

（比較例１）
次に、比較例１として、図４に示すラザフォード後方散乱分析装置に用いる磁場発生装置４０について、ソレノイドコイル４の軸上の色々な位置での磁場の強さＢ（ｚ）を測定した。なお、比較例１に係るラザフォード後方散乱分析装置に用いる磁場発生装置４０は、実施例１（第１実施形態）とほぼ同様の構成であるが、磁性蓋３の突部３ａと反対側の磁性蓋３の中心部に凹部３ｂを有するものでなく、凹部３ｂ部分が平面となっている点で異なる。
なお、実施例１〜３及び比較例１におけるラザフォード後方散乱分析装置に用いる各磁場発生装置は、磁性蓋に設けられている凹部以外、全て同様の形状及び大きさである。

図５〜７に、各実施例１〜３について、比較例１の測定結果と比較したグラフを示す。なお、ソレノイドコイル４の中心での磁場の強さＢ（ｚ＝０）に対する、距離ｚとソレノイドコイル４の中心ｚ＝０とにおける磁場の強さの差Ｂ（ｚ）−Ｂ（ｚ＝０）との比率を縦軸、コイルの巻線半径ａ１に対する距離ｚの比率を横軸としている。

図５のグラフより、均一な磁場が要求されるｚ／ａ１＝−１からｚ／ａ１＝＋１の範囲の比較例１による磁場の均一度は±０．１８％であるのに対し、実施例１によれば±０．１７％であり、磁場分布の点では問題が無い。なお、実施例１は、図４における比較例１の磁性蓋３から図１における実施例１（第１実施形態）の磁性蓋３の形状とすることで、重量を４％減少させて、軽量化を行っている。

次に、図６のグラフより、均一な磁場が要求されるｚ／ａ１＝−１からｚ／ａ１＝＋１の範囲の比較例１による磁場の均一度は±０．１８％であるのに対し、実施例２によれば±０．２９％であり、磁場均一度は悪くなっている。しかしながら、ラザフォード後方散乱分析装置の磁場均一度調整機能から要求される磁場均一度である±０．５０％以内であり問題が無い。なお、実施例２は、図４における比較例１の磁性蓋２から図２における実施例２（第２実施形態）の磁性蓋２の形状とすることで、重量を７％減少させて、軽量化を行っている。

次に、図７のグラフより、均一な磁場が要求されるｚ／ａ１＝−１からｚ／ａ１＝＋１の範囲の比較例１による磁場の均一度は±０．１８％であるのに対し、実施例３によれば±０．２６％であり、磁場均一度は悪くなっている。しかしながら、ラザフォード後方散乱分析装置の磁場均一度調整機能から要求される磁場均一度である±０．５０％以内であり問題が無い。なお、実施例３は、図４における比較例１の磁性蓋２から図３における実施例３（第３実施形態）の磁性蓋２の形状とし、図４における比較例１の磁性蓋３から図３における実施例３（第３実施形態）の磁性蓋３の形状とすることで、合計で重量を１０％減少させて、軽量化を行っている。

以上の結果より、均一な磁場が要求されるｚ／ａ１＝−１からｚ／ａ１＝＋１の範囲において、軽量化のために磁性蓋から一部を除去した形状のもの（実施例１〜３）であっても、蓋部から磁性材料の一部を除去していない通常形状のもの（比較例１）と比べて、磁場の均一度が許容範囲内に抑えることができていることがわかる。

なお、本発明は、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で設計変更できるものであり、上記実施形態や実施例に限定されるものではない。

本発明の磁場発生装置における磁性蓋の凹部に、ラザフォード後方散乱分析装置に必要な機器を収めて、ラザフォード後方散乱分析装置全体の高さを低くすることができる。

本発明の第１実施形態に係るラザフォード後方散乱分析装置に用いる磁場発生装置を示す図。 本発明の第２実施形態に係るラザフォード後方散乱分析装置に用いる磁場発生装置を示す図。 本発明の第３実施形態に係るラザフォード後方散乱分析装置に用いる磁場発生装置を示す図。 比較例１に係るラザフォード後方散乱分析装置に用いる磁場発生装置を示す図。 実施例１と比較例１との測定結果を比較したグラフ。 実施例２と比較例１との測定結果を比較したグラフ。 実施例３と比較例１との測定結果を比較したグラフ。

符号の説明

１ 磁性容器
２ 磁性蓋
２ａ、３ａ 突部
２ｂ 孔
２ｃ、３ｂ 凹部
３ 磁性蓋
４ ソレノイドコイル
１０、２０、３０、４０ 磁場発生装置

Claims (1)

1. 筒状の磁性容器と、
   前記磁性容器の両端に設けられ、前記磁性容器と同軸上に配置される円柱状の突部を有する円板状の磁性蓋と、
   前記磁性容器と同軸であり、前記磁性容器内部に設けられるソレノイドコイルとを備えるラザフォード後方散乱分析装置に用いる磁場発生装置であって、
   前記磁性蓋のそれぞれが、前記突部を前記磁性容器内側に向けて配置されるものであり、前記磁性蓋のうちいずれか一方が、その中心軸上にイオンビームを通過させるための孔を有し、さらに、前記磁性蓋のどちらか一方又は両方の前記突部と反対側の前記磁性蓋の中心部に凹部を有するラザフォード後方散乱分析装置に用いる磁場発生装置。

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