JP4217122B2 - Charged particle mass sorter - Google Patents

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    • H01J49/00Particle spectrometers or separator tubes
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、イオンやクラスターなどの荷電粒子を質量に基づいて選別する装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
特定の粒子を種とする微結晶の成長や、空間中に隔離した状態で粒子と反応ガスを反応させる材料処理などにおいて、特定の質量を持った粒子を選択的に捕獲したり外部に取り出したりして利用する要請がある。特に複数個の原子分子が凝集してできるクラスターは特異な物理化学的挙動を示し、広い分野に亘る利用が検討されている。
【0003】
ガスクラスター発生装置は、加圧ガスの供給を受けて原子質量が数1000のクラスターを発生する。ガスクラスター発生装置で発生するクラスターでは凝集するガス分子の数は確率的に分布するので質量に幅があり、利用あるいは研究の対象とするためには、たとえば質量数すなわち質量に基づいて選別する必要がある。
質量に基づいた選別を行うにはクラスターをイオン化すると便利である。
ガスクラスター発生装置から放出されるクラスターは、イオン化電極を通して荷電粒子化した後に、適当な質量選別方法を用いて、質量にしたがって分別して利用する。
【0004】
一般的に使用されている質量選別方法あるいは質量分析方法は磁場型、四重極電界型、飛行時間型などがあり、イオン化後に加速電極で加速したイオンクラスターを導入して、その速度によって分別するものが多い。
加速電極で電界を電荷に作用させて荷電粒子を加速すると、作用力は電荷で決まるので、粒子の質量が小さければ高速になり質量が大きければ低速になる。
【0005】
磁場型質量選別装置は、セクターマグネットで発生する磁場の中に荷電粒子を通すもので、荷電粒子の運動方向と磁場の向きに垂直な方向に力が作用するため荷電粒子の軌道が偏向する。このとき、重い粒子は曲がりにくく軽い粒子は曲がりやすいため、取り出し位置あるいは磁場強度を調整することにより所望の質量の荷電粒子を得ることができる。
【0006】
この装置は、設計が容易で、同じ質量の荷電粒子を連続的に取り出すことができるが、装置が大型化し重量化し、またビームの軌道軸と取り出し軸が角度を持つため他の装置との取り合いが複雑になる。さらに、質量が大きくなるほど単位増し分の全体質量に対する割合が小さくなるため、分解能が質量に逆比例するという問題もある。
【0007】
四重極電界型質量選別装置は交流と直流電場を併用して作用させるもので、その1例が特許文献1に開示されている。特許文献1記載の装置は、図8に示すように、中心軸の周りに対称的に配置された4本以上の柱状電極からなる中心電極とこれらを取り囲む外部電極で構成し、柱状電極にはそれぞれ交互に位相の反転した交流電圧を与え、さらに中心電極と外部電極の間に荷電粒子を中心電極の方に移動させるような直流バイアスを与えるようにしたものである。
【0008】
外部電極と中心電極の間に存在する荷電粒子は中心電極に集まる方向に移動し、一方、中心電極に引加される交流電圧により時間平均した交流電界強度が中心電極から距離の増大と共に減少するため、荷電粒子は中心電極から遠ざかる方向に斥力を受ける。この交流電界による斥力は、交流の周波数をf、粒子の質量をmとすると、1/mfに比例するので、荷電粒子の平衡位置は質量が大きいほど中心に近くなる。
【0009】
そこで、電圧や周波数を調整すると、所定の値以上の質量を持つ荷電粒子を中心電極の内側に集めて、取り出すことができる。
四重極電界型質量選別装置も連続取り出しも可能で、低エネルギー領域では最も一般的に利用されるが、質量が大きくなるほど分解能が低下する。また、電極断面形状は高い製作精度が要求される。
【0010】
また、飛行時間型質量選別装置は、運動する荷電粒子のエネルギーと電荷が等しいときには、質量の差は飛行速度の差として現れることを利用したものある。荷電粒子の進行方向に入り口と出口の電極を設置して、それぞれに直流電圧を印加して荷電粒子を遮断しておく。ある瞬間にある一定時間だけ入り口電極の電圧を切ると、荷電粒子が直進して出口電極に到達するので、2組の電極の間を飛行する時間に合わせて出口電極の電圧を切れば、所定の質量の粒子だけが出口電極を通過するので、質量選別をすることができる。
【0011】
飛行時間型質量選別装置は、パルス時間幅を変更することで強度や分解能を簡単に調整することができる。また、簡単な装置構成でありながら任意の質量を有する粒子を選別することができる。しかし、選別が間欠的になり、選別された粒子の連続供給はできない。
【0012】
【特許文献1】
特開2869517号公報
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、質量が大きくても選別力が低下せず、連続取り出しができる小型軽量な荷電粒子質量選別装置を提供することである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の荷電粒子質量選別装置は、交流電界形成電極と出口スリットを設けた交流電界形成部を備えたものであり、交流電界形成電極には質量選別しようとする荷電粒子が通過する時間の逆数の整数倍の周波数を持った交流電界を形成する。出口スリットは荷電粒子の進行軸上に配置され、質量選別された荷電粒子を出口スリットから回収することを特徴とする。
【0015】
本発明の荷電粒子質量選別装置は、加速電極で加速した荷電粒子の速度は質量と対応があることに基づいて質量選別するものである。
交流電界形成電極内には荷電粒子の進行軸に垂直な方向に交流電界が形成されている。荷電粒子は交流電界形成電極中を進行する間に交流電界の作用を受けて進行軸に垂直の方向に加速度を生じるので、軌道が偏向し電極の出口で進行軸から偏倚すると共に進行軸に垂直の方向の速度成分を持つようになる。
しかし、荷電粒子が電極部を通過する間に整数周期分の交流電界を横切る場合は、作用を及ぼす電界成分が正負相等しいので電極出口における荷電粒子の進行軸に垂直の速度成分は相殺されてゼロになり、進行軸に平行な速度成分のみを有するようになる。
【0016】
そこで、選別の目的とする質量を持った荷電粒子の速度を求めて、この速度で進行すると交流電界形成電極内でちょうど整数個の交流電界を経験するように交流電界周波数を調整する。すると、交流電界形成電極通過後、目的の荷電粒子は進行軸に平行に走行し、目的外の荷電粒子は進行軸に対して角度を持って走行するので、区別が可能となる。なお、選別目的の荷電粒子が交流電界形成電極に進入してくるときに交流電界の位相がゼロでなければ電極出口における荷電粒子の軌道は進行軸と離れるが、進行軸に平行の速度成分しか持たないことは同じである。
これにより、進行軸上にスリットを設けることで、選別目的の荷電粒子のみを取り出すことができる。
【0017】
なお、交流電界の周波数が荷電粒子が電極を通過する時間の逆数に等しい値であるときが、交流電界の作用力が最も大きくなり、選別が容易になるので好ましい。また、交流電界の周波数が大きくて選別目的より高速の荷電粒子がちょうど交流電界の周期を整数倍通過するようになると、目的の荷電粒子との選別が困難になるので、このような現象を抑制する意味からも、目的の荷電粒子がちょうど交流電界1周期分を通過するような周波数を選択することが好ましい。
【0018】
ところで、選別対象の荷電粒子は進行軸に平行に取り出されるが進行軸から離れたものも大量に存在するため、選別対象荷電粒子の一部しかスリットを通過しない。そこで、本発明の第2の荷電粒子質量選別装置は、上記の交流電界形成電極と同形状の第2の電極を下流側の進行軸上に設置する。なお、以下の説明において、初めの交流電界形成電極を第1交流電界形成電極と呼ぶことがある。
【0019】
第2交流電界形成電極に形成する第2交流電界の位相を調整することで、第1交流電界形成電極で選別対象荷電粒子が経験する電界と全く逆の電界を経験するようにする。すると、選別対象荷電粒子は、第1交流電界形成電極を通過後に、進行軸を中心に分布が広がった状態で進行軸に平行に進行するようになり、電極間の間隙中を進行軸と平行に飛行して、第2交流電界形成電極内で形成している第2交流電界に進行軸と平行に進入する。選別対象荷電粒子は、第2交流電界の働きで再び進行軸の方向に収束し、第2交流電界形成電極を通過後、進行軸上に集約するので、選別対象荷電粒子の回収率を大幅に向上させることができる。
【0020】
荷電粒子発生装置の条件によっては、たとえば目的とする粒子に対して整数の2乗倍の質量を有する荷電粒子など、飛行速度が整数分の1になるため交流電界を整数倍経験して、第1交流電界形成電極を出るときに進行軸と平行の速度を有するようになった選別対象荷電粒子以外の荷電粒子が含まれる場合がある。このような荷電粒子は、第2交流電界形成電極を出たところでも進行軸に平行な速度を持ち、選別目的の荷電粒子と混ざってノイズになる可能性がある。
そこで、本願発明は、第1交流電界形成電極と第2交流電界形成電極の間隙を調整できるようにすることが好ましい。
【0021】
選別目的の荷電粒子が間隙の幅を飛行する時間だけ第2交流電界の位相を遅らせておくと、荷電粒子が第2交流電界形成電極に到着したときの第2交流電界は第1交流電界形成電極を出たときの第1交流電界の位相と丁度同じ位相状態になっている。
したがって、選別目的の荷電粒子は第2交流電界形成電極で第1交流電界形成電極で受けたと全く逆の作用を受けるので、第2交流電界形成電極を出たときには丁度進行軸の上に戻る。すなわち、選別目的の荷電粒子は第1交流電界形成電極に進入したときの位相にかかわらず、第2交流電界形成電極を出るときには全て進行軸の上に集まることになる。
【0022】
また、選別目的外の荷電粒子は間隙を飛行する時間が異なりまた飛行方向が進行軸に対して角度を有するため、第2交流電界形成電極に到達したときに第2交流電界の位相が異なりまた第2交流電界形成電極内で履歴する電界がずれる。このため、目的外の荷電粒子が第2交流電界形成電極を出るときには進行軸上を軸に平行に走行することにはならない。
飛行速度が特別の関係にある荷電粒子は、第2交流電界形成電極を通過した後で進行軸に平行に進行するが、それらの進行軸からの分布の広がりは、第1交流電界形成電極と第2交流電界形成電極の間隙を調整することにより調整することができる。
【0023】
すなわち、選別対象荷電粒子以外の荷電粒子は、第1交流電界形成電極を出たときの第1交流電界の位相と第2交流電界電極に到達したときの第2交流電界の位相が適合しないため、第2交流電界形成電極を出るときの荷電粒子の速度は進行軸と平行の成分しか持たないが、軸に垂直な方向に分布して進行軸上に集合することがない。
そして、進行軸に垂直な分布状態は、電極間の間隙と2つの交流電界の位相との関係を調整することにより変化する。出口スリットは進行軸に設けられるので、進行軸上を軸に沿って走行する荷電粒子のみが出口スリットを通過し、それ以外の荷電粒子はスリットを通り抜けることができない。したがって、電極間間隙を調整することにより出口スリットを通過する選別対象荷電粒子以外の荷電粒子の量を少なくすることができる。
なお、電極間間隙を変化させても、選別対象荷電粒子は必ず進行軸上に集約するように交流電界の位相差を調整すれば、選別対象荷電粒子の回収率が変化することはない。
【0024】
こうして、選別目的の荷電粒子をそれ以外の荷電粒子から弁別して取り出すことができる。たとえばガスクラスター発生装置で発生するクラスターをイオン化して加速器で加速した場合には、クラスターの速度は質量に反比例するので、交流電界の周期に対応する速度を持った成分とその他の成分を弁別して目的の質量を持った成分を選別して供給することができる。
このように、本発明の荷電粒子質量選別装置によれば、所定の速度の荷電粒子を選別することにより、質量のそろった荷電粒子をほぼ連続的に供給することができる。
【0025】
なお、第1交流電界形成電極と第2交流電界形成電極の間の間隙における荷電粒子進行軸上に遮蔽物を設けてもよい。
クラスター発生装置の条件によっては、目的とする荷電粒子と異なる質量を有するにもかかわらず荷電粒子質量選別装置の出口において目的粒子と同じような偏向速度と偏向位置を持つようになる場合がある。たとえば、目的とするクラスターより重いクラスターでは、飛行速度が遅いため交流電界を何周期分もくぐって、結局元の進行軸上に戻って選別装置から出力されるものも出現する可能性がある。
【0026】
このような重い粒子では、交流電界形成電極の電界が軸に垂直な方向の加速度に与える作用が小さいので、進行軸からの乖離が大きくないものが多く、粒子は軸の近傍に集まることになる。また、目的とする荷電粒子は第1交流電界形成電極を出た位置でゼロ加速度状態となるが、交流電界形成電極に進入するときの位相差に従って、進行軸に垂直な方向に分布する。
そこで、軸上に遮蔽板や遮蔽ブロックなどの任意の形状の遮蔽物を設けて質量の大きい不純物を捕捉して除去すれば、目的とする荷電粒子の一部は遮蔽物に捕獲されるが殆どは後段の交流電界形成電極に進入するので、選別粒子の純度を向上させることができる。
【0027】
また、出口スリットは、2個以上のスリットを進行軸上に配列して構成するようにしてもよい。
目的の粒子が偏向速度と偏位がない状態で、すなわち進行軸上で軸に沿って飛行して出口スリットに達して外部に取り出され、目的の粒子以外は交流電界形成電極の中で中心軌道から逸れて分離される。しかし、交流電界の波と速度の異なる目的外の粒子の中には複雑な軌跡を措いて出口スリットに到達するものもあり得る。出口スリットに入射する目的外粒子は、進行軸に沿って入射することはなく進行軸に戻った荷電粒子は必ずスリットに対して斜めに入射する。
したがって、2個以上のスリットを軸上に配置すれば、斜入射する粒子は後ろのスリットを通過できないので、最後のスリットは軸上を軸に平行な速度で入射したものしか通過せず、目的の粒子のみが分別されることになる。
【0028】
さらに、進行軸上に荷電粒子を加減速する加減速電極を備えることが好ましい。
荷電粒子の選別には荷電粒子の速度が余り大きくない方が好ましい。一方、クラスターに何らかの反応を起こさせて利用するためには、選別したクラスターのエネルギーが高いことが好ましい。そこで、クラスターを加減速する加減速電極を選別後の位置に設けることが好ましい。なお、加減速電極は粒子選別に差し障りがない場合には、選別前や選別領域の中間位置に設置してもよいことはいうまでもない。
【0029】
なお、第1交流電界形成電極と第2交流電界形成電極を組にして、複数組を進行軸に沿って配置すれば、質量選別の繰り返しにより選別の純度が向上する効果がある。
【0030】
【発明の実施の形態】
本発明の荷電粒子質量選別装置を実施の形態に基づき図面を用いて詳細に説明する。
図1は本発明に係る1実施例の荷電粒子質量選別装置をガスクラスター装置と組み合わせてクラスターイオンをプロセシングしてターゲットに作用させるようにした装置を示すブロック図、図2は本実施例の荷電粒子質量選別装置の構成を示すブロック図、図3は荷電粒子質量選別装置の作用を説明する線図、図4は進行波の位相速度と同じ速度で飛行する荷電粒子について算出した軌跡を描いた図面、図5は飛行速度の異なる荷電粒子の軌跡図、図6は入り口側の進行波形成電極と出口側の進行波形成電極の間に遮蔽物を置いた場合を示す図面、図7は遮蔽物の効果を説明する図面である。
【0031】
本発明の荷電粒子質量選別装置は、ガスクラスター発生装置と組み合わせて利用することにより、ガスクラスター装置の効用を高めてガスクラスター装置の応用分野をますます広げることになる。
ガスクラスター発生装置は、クラスター生成部1とイオン化加速部2と質量選別部3とプロセス部4を直列に配設したものである。クラスター生成部1は本体11と本体出口に設けられたノズル12とクラスタ生成部1の出口に設けられたスキマー13を主要構成要素とする。2.5atmから4atm程度の加圧ガスを本体11に導入すると、ガス分子同士が擬集してクラスターを形成し、0.1mm程度の細孔の後で管径を徐々に拡大させたガラスノズル11から射出して、スキマー12で多数の分子が擬集したクラスターを選び取って射出する。たとえば、アルゴンガスをクラスター化するときには、原子量500から10000程度に凝集したクラスターを豊富に発生することができる。
【0032】
イオン化加速部2にはイオン化電極21と加速電極22が設けられていて、クラスター生成部1から供給されるクラスタービームに含まれるクラスターをイオン化し、加速電極22の電界により加速して質量選別部3に供給する。クラスターは通常1価の陽イオンを持ち、直流電界で加速されるため、質量に反比例する速度を持って質量選別部3に流入することになる。
質量選別部3には本発明に係る荷電粒子質量選別装置31が備えられて、ここで、目的の質量を有するクラスターイオンが選別されプロセス部4に供給される。プロセス部4では選別されたクラスターに対して所望のプロセスが施され、たとえばターゲット41に堆積するようになっている。
【0033】
荷電粒子質量選別装置31は、図2に示すように、第1交流電界形成電極32と第1交流電源33、第2交流電界形成電極34と第2交流電源35、および出口スリット36を備える。第1交流電源33は、第1交流電界形成電極32に、目的とする荷電粒子が電極を通過する時間が交流電界の周期の整数倍、好ましくは1倍になるような正弦波Asin(ωt)の交流電界を形成させる。
図3は、交流電界の関係を説明する図面である。上段のグラフは横軸に時間を取って第1交流電界形成電極32における電界波形を示す。また、下段のグラフは第2交流電界形成電極34における電界波形を示す。
【0034】
目的の荷電粒子の速度をVtとし、第1交流電界形成電極(EL1)32の長さをLeとすると、
1/f=Le/Vt
となるようにする。ここで、fは波数で、ω=2πfである。
すると、荷電粒子は第1交流電界を1周期分くぐって電極を通過する。したがって、丁度第1交流電界がゼロの時に電極に到達した荷電粒子は、電界による進行軸に垂直の方向の力を正負同等に受けて電極の出口に達するので、出口における荷電粒子は進行軸上にあって進行軸に沿って飛行する。
【0035】
周波数は、荷電粒子が交流電界の周期の整数倍くぐって電極を通過するようにしてもよい。ただし、荷電粒子がくぐる周期数が大きくなるほど、荷電粒子の軸に垂直な方向に移動させる交流電界の作用力は小さくなる。
また、第1交流電界と位相差をもって進入したときにも、速度が同じであれば、同様に電界による進行軸に垂直の方向の力が相殺して電極の出口に達するので、電極の出口における荷電粒子は進行軸から離れていても進行軸に平行に飛行するようになる。なお、荷電粒子が交流電界の整数周期分をくぐっても同様に出口で進行軸に沿って飛行するようになることは言うまでもない。
【0036】
第2交流電界形成電極中で形成する第2交流電界は、第1交流電界と位相が逆になっていて、目的の荷電粒子が間隙を飛行する時間に対応するだけの位相差を持つ。間隙の幅をDl、位相差をφとすれば、
φ=ωD1/Vt=2πD1/Le
また、第2交流は、
−Asin(ωt−φ)
で表される。
【0037】
目的の荷電粒子が第1交流電界形成電極を出たときの第1交流電界の位相位置と、第2交流電界形成電極に到達したときの第2交流電界の位相位置は同じになるので、第2交流電界形成電極を出るときには、第1交流電界形成電極で受けた作用が逆位相の第2交流電界で丁度相殺されて、進行軸上に戻り軸に垂直な速度成分もゼロになっている。
【0038】
図4は、選択対象の速度で飛行する荷電粒子について算出した交流電界形成部における軌跡を描いた図面である。いろいろな位相で第1交流電界形成電極に進入した荷電粒子は、電極内で受ける作用の差に基づいて電極を出るところで軸に垂直な方向に分布するが、速度は軸と平行な成分しか持たない。
各荷電粒子が間隙を飛行して第2交流電界形成電極に到達すると、第1交流電界形成電極を出たときの第1交流電界と同じ位相になった第1交流電界と逆位相の第2交流電界に進入する。したがって、第2交流電界形成電極内を走行する間に第1交流電界形成電極で受けた作用を丁度相殺して、電極を出るときには荷電粒子は進行軸の位置まで戻り、軸に沿ってスリットに向けて進行する。
一方、図5は、飛行速度の異なる荷電粒子の軌跡である。いずれも発散して元の軸に戻らない。
【0039】
図6は、入り口側の第1交流電界形成電極32と出口側の第2交流電界形成電極34の間に設けた隙間に遮蔽物37を置いた場合を示す図面である。
本実施例の交流形成部31を用いると、特に大きなクラスターでは第1交流電界形成電極32で形成する加速度が小さく進行軸から十分に離間しないで進行軸付近を走行する場合がある。遮蔽物37は、このような進行軸に近い位置を飛行する粒子を遮蔽するものである。目的とする質量の粒子の大部分は遮蔽物37を回避して第2交流電界形成電極34に入射し電界の作用で再び進行軸に集まり、出口スリット36を通って出力される。
【0040】
図7は遮蔽物の効果を説明する図面である。図7(a)に遮蔽物がないときの選別された粒子の質量分布を示し、図7(b)に遮蔽ブロックを軸上に据えたときの選別結果を示す。遮蔽ブロックがないときには目的とする原子量5000のクラスターより擬集量の大きな粒子が不純物として大量に含まれるのに対して、遮蔽ブロックがあるときは原子量の大きなクラスターが著しく減少している。
遮蔽物は、板状でも塊状でもよい。またイオンの流路に沿わせた紡錘形のものを使用することもできる。
【0041】
なお、図5から分かるように、目的外の質量の粒子も条件によっては出口スリット36に入射して通過することがある。
そこで、図6に点線で表したように、同様のスリット38をスリット36と同軸に並べて配置することにより、直進する粒子のみを出力するようにすることができる。
【0042】
選別目的の荷電粒子以外の粒子が出口スリット36の位置で進行軸上にあっても、荷電粒子は軸に垂直な速度成分を持っているので、進行軸に沿って離れた位置にあるスリット38を共に通過することができない。
従って、スリットを進行軸上に並べて設けることにより、目的外の質量の粒子を排除して選択性を向上させることができる。スリットは2個に限らず3個以上適当数を設けてもよいことはいうまでもない。
【0043】
また、本実施例の進行波形成部は、図6に点線で表したように、進行軸上に加減速電極39を設けてもよい。
本実施例の交流電界を用いた粒子の選別では電極内における電界の作用で選別するので、荷電粒子の速度が余り大きくない方が好ましい。一方、選別したクラスターに何らかの反応を起こさせて利用するためには、クラスターのエネルギーが高いことが好ましい。そこで、イオンクラスターを加減速する加減速電極39を第2交流電界形成電極34の後ろに設けて、選別後のクラスターを加減速して後の工程に供給できるようにしている。
なお、加減速電極39は、粒子選別に差し障りがない場合には、第1交流電界形成電極32の前や第1交流電界形成電極32と第2交流電界形成電極36の間に設置してもよい。
【0044】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の荷電粒子質量選別装置によって、目的とする質量のクラスターを選択して高純度で分離できるようになったので、クラスター発生装置と一緒に使用することにより、特殊な結晶や材料の形成その他、広い分野において任意の質量のクラスターを簡単かつ大量に供給して利用させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る1実施例の荷電粒子質量選別装置をガスクラスター装置と組み合わせた装置を示すブロック図である。
【図2】本実施例の荷電粒子質量選別装置の構成を示すブロック図である。
【図3】本実施例における荷電粒子質量選別装置の作用を説明する線図である。
【図4】本実施例において目的とする質量の荷電粒子について算出した軌跡図である。
【図5】本実施例において目的外の荷電粒子について算出した軌跡図である。
【図6】本実施例において入り口側の進行波形成電極と出口側の進行波形成電極の間に遮蔽物を置いた場合を示す図面である。
【図7】本実施例における遮蔽物の効果を説明する図面である。
【図8】従来の荷電粒子質量選別装置の例を示す概念図である。
【符号の説明】
1 クラスター生成部
2 イオン化加速部
3 質量選別部
4 プロセス部
11 クラスター生成部本体
12 ノズル
13 スキマー
21 イオン化電極
22 加速電極
31 荷電粒子質量選別装置
32 第1交流電界形成電極
33 第1交流電源
34 第2交流電界形成電極
35 第2交流電源
36 出口スリット
37 遮蔽物
38 スリット
39 加減速電極
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus for sorting charged particles such as ions and clusters based on mass.
[0002]
[Prior art]
In the case of growth of microcrystals that use specific particles as seeds, or material processing that reacts particles and reactive gases in a state of being isolated in space, particles with specific masses can be selectively captured or taken out. There is a request to use it. In particular, clusters formed by agglomeration of a plurality of atomic molecules exhibit unique physicochemical behavior, and their use in a wide range of fields is being studied.
[0003]
The gas cluster generator generates a cluster having an atomic mass of several thousand upon receiving a pressurized gas. In a cluster generated by a gas cluster generator, the number of gas molecules that aggregate is probabilistically distributed, so there is a wide range of mass. In order to use or study, it is necessary to sort based on, for example, the mass number or mass. There is.
It is convenient to ionize clusters to perform mass-based sorting.
Clusters emitted from the gas cluster generator are charged particles through an ionization electrode, and then used after being classified according to mass using an appropriate mass selection method.
[0004]
Commonly used mass sorting methods or mass spectrometry methods include magnetic field type, quadrupole electric field type, and time-of-flight type. After ionization, ion clusters accelerated by an acceleration electrode are introduced and sorted according to their speed. There are many things.
When the charged particles are accelerated by applying an electric field to the electric charge with the accelerating electrode, the acting force is determined by the electric charge.
[0005]
In the magnetic field type mass sorter, charged particles are passed through a magnetic field generated by a sector magnet, and a force acts in a direction perpendicular to the moving direction of the charged particles and the direction of the magnetic field, so that the trajectory of the charged particles is deflected. At this time, since heavy particles are difficult to bend and light particles are easily bent, charged particles having a desired mass can be obtained by adjusting the extraction position or the magnetic field strength.
[0006]
This device is easy to design and can take out charged particles of the same mass continuously, but the size and weight of the device is large, and the beam trajectory axis and extraction axis have an angle so that it can be used with other devices. Becomes complicated. Furthermore, since the ratio of the unit increase to the total mass decreases as the mass increases, there is also a problem that the resolution is inversely proportional to the mass.
[0007]
A quadrupole electric field type mass sorter is a device that operates using both an alternating current and a direct current electric field, and one example thereof is disclosed in Patent Document 1. As shown in FIG. 8, the device described in Patent Document 1 is composed of a central electrode composed of four or more columnar electrodes arranged symmetrically around a central axis and an external electrode surrounding them. An AC voltage having alternately inverted phases is applied, and a DC bias is applied between the center electrode and the external electrode to move charged particles toward the center electrode.
[0008]
The charged particles existing between the external electrode and the central electrode move in the direction of gathering at the central electrode. On the other hand, the AC electric field strength time-averaged by the alternating voltage applied to the central electrode decreases with increasing distance from the central electrode. Therefore, the charged particles receive a repulsive force in a direction away from the center electrode. The repulsive force due to the AC electric field is proportional to 1 / mf 2 where the frequency of the AC is f and the mass of the particle is m. Therefore, the equilibrium position of the charged particle is closer to the center as the mass is larger.
[0009]
Therefore, by adjusting the voltage and frequency, charged particles having a mass greater than or equal to a predetermined value can be collected inside the center electrode and taken out.
A quadrupole electric field type mass sorter can be taken out continuously and is most commonly used in a low energy region, but the resolution decreases as the mass increases. Moreover, high manufacturing accuracy is required for the electrode cross-sectional shape.
[0010]
Further, the time-of-flight mass sorter utilizes the fact that the difference in mass appears as a difference in flight speed when the energy of charged particles moving is equal to the charge. An entrance electrode and an exit electrode are installed in the traveling direction of the charged particles, and a DC voltage is applied to each to block the charged particles. If the voltage at the entrance electrode is cut for a certain time at a certain moment, the charged particles go straight and reach the exit electrode. Therefore, if the exit electrode voltage is turned off in accordance with the time to fly between the two sets of electrodes, a predetermined value is obtained. Since only particles having a mass of 1 pass through the exit electrode, mass selection can be performed.
[0011]
The time-of-flight mass sorter can easily adjust the intensity and resolution by changing the pulse time width. In addition, particles having an arbitrary mass can be selected with a simple apparatus configuration. However, the sorting becomes intermittent, and the sorted particles cannot be continuously supplied.
[0012]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2869517
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a small and lightweight charged particle mass sorting apparatus that can perform continuous extraction without reducing the sorting force even if the mass is large.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the charged particle mass sorting apparatus of the present invention includes an AC electric field forming unit provided with an AC electric field forming electrode and an exit slit, and the AC electric field forming electrode is charged to be subjected to mass selection. An alternating electric field having a frequency that is an integral multiple of the reciprocal of the time that particles pass is formed. The exit slit is arranged on the traveling axis of the charged particles, and the mass-selected charged particles are collected from the exit slit.
[0015]
The charged particle mass selection apparatus of the present invention performs mass selection based on the fact that the speed of charged particles accelerated by the acceleration electrode corresponds to the mass.
An AC electric field is formed in the AC electric field forming electrode in a direction perpendicular to the traveling axis of the charged particles. The charged particles are subjected to the action of the AC electric field while traveling through the AC electric field forming electrode and generate acceleration in the direction perpendicular to the traveling axis. It has a velocity component in the direction of.
However, when the charged particle crosses the AC electric field for an integer period while passing through the electrode part, the electric field component that acts is equal to the positive and negative phases, so the velocity component perpendicular to the traveling axis of the charged particle at the electrode exit is canceled out. It becomes zero and has only a velocity component parallel to the traveling axis.
[0016]
Therefore, the velocity of the charged particles having the mass to be selected is obtained, and the AC electric field frequency is adjusted so that when the velocity proceeds at this speed, an integer number of AC electric fields are experienced in the AC electric field forming electrode. Then, after passing through the AC electric field forming electrode, the target charged particles travel parallel to the traveling axis, and the non-target charged particles travel at an angle with respect to the traveling axis, so that distinction is possible. When charged particles for sorting enter the AC electric field forming electrode, if the phase of the AC electric field is not zero, the trajectory of the charged particles at the electrode exit is separated from the traveling axis, but only the velocity component parallel to the traveling axis is present. Not having it is the same.
Thus, by providing a slit on the traveling axis, only charged particles for sorting can be taken out.
[0017]
In addition, it is preferable that the frequency of the AC electric field is a value equal to the reciprocal of the time when the charged particles pass through the electrode, since the acting force of the AC electric field becomes the largest and selection becomes easy. In addition, if the frequency of the AC electric field is large and charged particles that are faster than the purpose of selection pass through the AC electric field period by an integer multiple, it becomes difficult to select the target charged particles. From this point of view, it is preferable to select a frequency at which the target charged particle passes exactly one AC electric field.
[0018]
By the way, although the charged particles to be sorted are taken out in parallel to the traveling axis, there are a large number of particles that are separated from the traveling axis, so that only a part of the charged particles to be sorted passes through the slit. Therefore, in the second charged particle mass sorting apparatus of the present invention, the second electrode having the same shape as the AC electric field forming electrode is installed on the downstream traveling axis. In the following description, the first AC electric field forming electrode may be referred to as a first AC electric field forming electrode.
[0019]
By adjusting the phase of the second AC electric field formed on the second AC electric field forming electrode, an electric field completely opposite to the electric field experienced by the charged particles to be selected is experienced at the first AC electric field forming electrode. Then, after passing through the first AC electric field forming electrode, the charged particles to be sorted travel in parallel with the traveling axis in a state where the distribution spreads around the traveling axis, and in the gap between the electrodes parallel to the traveling axis. And then enters the second AC electric field formed in the second AC electric field forming electrode in parallel with the traveling axis. The charged particles to be sorted converge again in the direction of the traveling axis due to the action of the second AC electric field, and are concentrated on the traveling axis after passing through the second AC electric field forming electrode, greatly increasing the recovery rate of the charged particles to be sorted. Can be improved.
[0020]
Depending on the conditions of the charged particle generator, for example, charged particles having a mass that is an integral square of the target particle, the flight speed is a fraction of an integer. In some cases, charged particles other than the charged particles to be sorted that have a velocity parallel to the traveling axis when exiting one AC electric field forming electrode may be included. Such charged particles have a speed parallel to the axis of travel even when they exit the second AC electric field forming electrode, and may be mixed with charged particles for sorting purposes and become noise.
Therefore, in the present invention, it is preferable that the gap between the first AC electric field forming electrode and the second AC electric field forming electrode can be adjusted.
[0021]
If the phase of the second AC electric field is delayed by the time during which the charged particles for sorting fly through the gap width, the second AC electric field when the charged particles arrive at the second AC electric field forming electrode forms the first AC electric field. The phase state is exactly the same as the phase of the first AC electric field when it leaves the electrode.
Accordingly, since the charged particles for sorting are subjected to the opposite action to that received by the first AC electric field forming electrode at the second AC electric field forming electrode, when the second AC electric field forming electrode exits, the charged particles return to just above the traveling axis. That is, all the charged particles for selection are collected on the traveling axis when leaving the second AC electric field forming electrode, regardless of the phase when entering the first AC electric field forming electrode.
[0022]
In addition, the charged particles that are not selected for the purpose have different flight times in the gap and the flight direction has an angle with respect to the traveling axis, so that when the second AC electric field forming electrode is reached, the phase of the second AC electric field is different. The electric field recorded in the second AC electric field forming electrode is shifted. For this reason, when charged particles other than the target exit the second AC electric field forming electrode, they do not travel on the traveling axis parallel to the axis.
Charged particles having a special flight speed travel parallel to the traveling axis after passing through the second AC electric field forming electrode, but the spread of the distribution from the traveling axis is the same as that of the first AC electric field forming electrode. It can be adjusted by adjusting the gap of the second AC electric field forming electrode.
[0023]
In other words, the charged particles other than the selection target charged particles do not match the phase of the first AC electric field when exiting the first AC electric field forming electrode and the phase of the second AC electric field when reaching the second AC electric field electrode. The velocity of the charged particles exiting the second AC electric field forming electrode has only a component parallel to the traveling axis, but is distributed in a direction perpendicular to the axis and does not collect on the traveling axis.
The distribution state perpendicular to the advancing axis is changed by adjusting the relationship between the gap between the electrodes and the phase of the two AC electric fields. Since the exit slit is provided on the traveling axis, only charged particles traveling along the traveling axis along the axis pass through the exit slit, and other charged particles cannot pass through the slit. Therefore, the amount of charged particles other than the selection target charged particles that pass through the exit slit can be reduced by adjusting the gap between the electrodes.
Even if the gap between the electrodes is changed, the recovery rate of the selection target charged particles does not change as long as the phase difference of the AC electric field is adjusted so that the selection target charged particles are always concentrated on the traveling axis.
[0024]
In this way, charged particles for sorting can be distinguished and extracted from other charged particles. For example, when a cluster generated by a gas cluster generator is ionized and accelerated by an accelerator, the speed of the cluster is inversely proportional to the mass. Therefore, the component having the velocity corresponding to the period of the AC electric field is discriminated from the other components. A component having the target mass can be selected and supplied.
As described above, according to the charged particle mass sorting apparatus of the present invention, charged particles having a uniform mass can be supplied almost continuously by sorting charged particles at a predetermined speed.
[0025]
A shield may be provided on the charged particle traveling axis in the gap between the first AC electric field forming electrode and the second AC electric field forming electrode.
Depending on the conditions of the cluster generation device, there may be a case where the exit speed of the charged particle mass sorter has the same deflection speed and deflection position as the target particle despite having a mass different from that of the target charged particle. For example, in a cluster that is heavier than the target cluster, the flight speed is slow, so that it may pass through the AC electric field for several cycles and eventually return to the original traveling axis and output from the sorting device may appear.
[0026]
In such heavy particles, the effect of the electric field of the AC electric field forming electrode on the acceleration in the direction perpendicular to the axis is small, so there are many cases in which the deviation from the traveling axis is not large, and the particles gather near the axis. . The target charged particles are in a zero acceleration state at the position where they exit the first AC electric field forming electrode, but are distributed in a direction perpendicular to the traveling axis according to the phase difference when entering the AC electric field forming electrode.
Therefore, if a shield of any shape such as a shield plate or a shield block is provided on the shaft to trap and remove impurities with a large mass, a part of the target charged particles will be trapped by the shield. Enters the subsequent AC electric field forming electrode, so that the purity of the selected particles can be improved.
[0027]
Further, the exit slit may be configured by arranging two or more slits on the traveling axis.
In the state where the target particles are free of deflection speed and deflection, that is, along the axis of travel, they fly along the axis, reach the exit slit, and are taken out to the outside. Separated from. However, some unintended particles with different velocities and waves of alternating electric fields may reach the exit slit with a complex trajectory. Non-target particles that enter the exit slit do not enter the traveling axis, and charged particles that have returned to the traveling axis always enter the slit obliquely.
Therefore, if two or more slits are arranged on the axis, the obliquely incident particles cannot pass through the rear slit, so that the last slit can only pass through the axis at a speed parallel to the axis. Only the particles will be separated.
[0028]
Furthermore, it is preferable to provide an acceleration / deceleration electrode for accelerating / decelerating charged particles on the traveling axis.
For the selection of charged particles, it is preferable that the speed of charged particles is not so high. On the other hand, the energy of the selected cluster is preferably high in order to cause some reaction in the cluster. Therefore, it is preferable to provide an acceleration / deceleration electrode for accelerating / decelerating the cluster at a position after selection. Needless to say, the acceleration / deceleration electrode may be installed before sorting or at an intermediate position in the sorting area when there is no problem in sorting the particles.
[0029]
If the first AC electric field forming electrode and the second AC electric field forming electrode are combined, and a plurality of sets are arranged along the traveling axis, there is an effect that the purity of the selection is improved by repeating the mass selection.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The charged particle mass sorting apparatus of the present invention will be described in detail with reference to the drawings based on the embodiments.
FIG. 1 is a block diagram showing an apparatus in which a charged particle mass sorting apparatus according to one embodiment of the present invention is combined with a gas cluster apparatus to process cluster ions and act on a target. FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the particle mass sorting apparatus, FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the charged particle mass sorting apparatus, and FIG. 4 depicts a locus calculated for charged particles flying at the same speed as the traveling wave phase velocity. Drawing, FIG. 5 is a locus diagram of charged particles having different flight speeds, FIG. 6 is a diagram showing a case where a shield is placed between the traveling wave forming electrode on the entrance side and the traveling wave forming electrode on the exit side, and FIG. It is drawing explaining the effect of a thing.
[0031]
When the charged particle mass sorting apparatus of the present invention is used in combination with a gas cluster generator, the utility of the gas cluster apparatus is enhanced and the application field of the gas cluster apparatus is further expanded.
In the gas cluster generator, a cluster generation unit 1, an ionization acceleration unit 2, a mass selection unit 3, and a process unit 4 are arranged in series. The cluster generation unit 1 includes a main body 11, a nozzle 12 provided at the main body outlet, and a skimmer 13 provided at the outlet of the cluster generation unit 1 as main components. When a pressurized gas of about 2.5 to 4 atm is introduced into the main body 11, a glass nozzle in which gas molecules are pseudo-collected to form a cluster, and the diameter of the tube is gradually expanded after a pore of about 0.1 mm. 11 is ejected, and a cluster in which a large number of molecules are gathered is selected by the skimmer 12 and ejected. For example, when argon gas is clustered, abundant clusters aggregated to an atomic weight of about 500 to 10,000 can be generated.
[0032]
The ionization acceleration unit 2 is provided with an ionization electrode 21 and an acceleration electrode 22. The mass selection unit 3 is ionized by a cluster included in the cluster beam supplied from the cluster generation unit 1 and accelerated by the electric field of the acceleration electrode 22. To supply. Since the cluster usually has a monovalent cation and is accelerated by a direct current electric field, the cluster flows into the mass selector 3 at a speed inversely proportional to the mass.
The mass sorting unit 3 is provided with a charged particle mass sorting device 31 according to the present invention, where cluster ions having a target mass are sorted and supplied to the process unit 4. In the process unit 4, a desired process is performed on the selected cluster and, for example, it is deposited on the target 41.
[0033]
As shown in FIG. 2, the charged particle mass sorting device 31 includes a first AC electric field forming electrode 32, a first AC power source 33, a second AC electric field forming electrode 34, a second AC power source 35, and an outlet slit 36. The first alternating current power supply 33 has a sinusoidal wave Asin (ωt) such that the time for the target charged particles to pass through the first alternating current electric field forming electrode 32 is an integral multiple of the period of the alternating electric field, preferably one. An alternating electric field is formed.
FIG. 3 is a diagram for explaining the relationship of the alternating electric field. The upper graph shows the electric field waveform at the first AC electric field forming electrode 32 with the horizontal axis taking time. The lower graph shows the electric field waveform at the second AC electric field forming electrode 34.
[0034]
If the velocity of the target charged particle is Vt and the length of the first AC electric field forming electrode (EL1) 32 is Le,
1 / f = Le / Vt
To be. Here, f is a wave number, and ω = 2πf.
Then, the charged particles pass through the electrode through the first AC electric field for one period. Therefore, the charged particles that have reached the electrode when the first AC electric field is zero receive the force perpendicular to the traveling axis due to the electric field in the positive and negative directions and reach the outlet of the electrode, so that the charged particles at the outlet are on the traveling axis. And fly along the axis of travel.
[0035]
The frequency may be such that charged particles pass through the electrode through an integer multiple of the period of the alternating electric field. However, as the number of cycles through which the charged particles pass increases, the acting force of the AC electric field that moves in the direction perpendicular to the axis of the charged particles decreases.
In addition, if the velocity is the same when entering with a phase difference from the first AC electric field, the force in the direction perpendicular to the traveling axis due to the electric field cancels out and reaches the electrode outlet. The charged particles fly in parallel with the traveling axis even if they are separated from the traveling axis. Needless to say, even if the charged particles pass through the integer period of the AC electric field, they also fly along the traveling axis at the exit.
[0036]
The second AC electric field formed in the second AC electric field forming electrode has a phase difference opposite to that of the first AC electric field, and has a phase difference corresponding to the time when the target charged particles fly through the gap. If the gap width is Dl and the phase difference is φ,
φ = ωD1 / Vt = 2πD1 / Le
The second exchange is
-Asin (ωt-φ)
It is represented by
[0037]
The phase position of the first AC electric field when the target charged particle exits the first AC electric field forming electrode is the same as the phase position of the second AC electric field when the target charged particle reaches the second AC electric field forming electrode. When exiting the two AC electric field forming electrodes, the action received by the first AC electric field forming electrode is just offset by the second AC electric field having the opposite phase, and the velocity component perpendicular to the return axis is also zero on the traveling axis. .
[0038]
FIG. 4 is a drawing depicting the locus in the alternating electric field forming unit calculated for charged particles flying at the speed of the selection target. Charged particles that have entered the first AC electric field forming electrode at various phases are distributed in a direction perpendicular to the axis when exiting the electrode based on the difference in action received in the electrode, but the velocity has only a component parallel to the axis. Absent.
When each charged particle flies through the gap and reaches the second AC electric field forming electrode, the second phase having the opposite phase to the first AC electric field is in the same phase as the first AC electric field when exiting the first AC electric field forming electrode. Enter the AC electric field. Therefore, the action received by the first AC electric field forming electrode during traveling inside the second AC electric field forming electrode is just canceled, and when leaving the electrode, the charged particles return to the position of the traveling axis, and the slit moves along the axis. Proceed toward.
On the other hand, FIG. 5 shows trajectories of charged particles having different flight speeds. Neither diverges and returns to the original axis.
[0039]
FIG. 6 is a view showing a case where a shielding object 37 is placed in a gap provided between the first AC field forming electrode 32 on the entrance side and the second AC field forming electrode 34 on the exit side.
When the AC forming unit 31 of the present embodiment is used, particularly in a large cluster, the acceleration formed by the first AC electric field forming electrode 32 is small, and the vehicle may travel around the traveling axis without being sufficiently separated from the traveling axis. The shielding object 37 shields particles flying in a position close to such a traveling axis. Most of the particles having the target mass enter the second AC electric field forming electrode 34 while avoiding the shield 37, and gather on the traveling axis again by the action of the electric field, and are output through the exit slit 36.
[0040]
FIG. 7 is a diagram for explaining the effect of the shielding object. FIG. 7 (a) shows the mass distribution of the sorted particles when there is no shielding object, and FIG. 7 (b) shows the sorting result when the shielding block is placed on the shaft. When there is no shielding block, a larger amount of particles having a larger amount of impurities than the target cluster having an atomic weight of 5000 are contained as impurities, whereas when there is a shielding block, the clusters having a large atomic weight are significantly reduced.
The shield may be plate-shaped or massive. Further, a spindle type along the ion flow path can also be used.
[0041]
As can be seen from FIG. 5, particles with an unintended mass may enter and pass through the exit slit 36 depending on conditions.
Therefore, as shown by the dotted line in FIG. 6, by arranging the same slits 38 so as to be coaxial with the slits 36, it is possible to output only the particles traveling straight.
[0042]
Even if particles other than the charged particles to be sorted are on the traveling axis at the position of the exit slit 36, the charged particles have a velocity component perpendicular to the axis, so that the slit 38 located at a position away from the traveling axis. Cannot pass through.
Therefore, by providing the slits side by side on the traveling axis, particles having an unintended mass can be eliminated and the selectivity can be improved. Needless to say, the number of slits is not limited to two but may be three or more.
[0043]
Moreover, the traveling wave formation part of a present Example may provide the acceleration / deceleration electrode 39 on a traveling axis, as represented by the dotted line in FIG.
In the selection of particles using an alternating electric field in this embodiment, the particles are selected by the action of the electric field in the electrode, so it is preferable that the speed of the charged particles is not so high. On the other hand, it is preferable that the energy of the cluster is high in order to cause some kind of reaction in the selected cluster. Therefore, an acceleration / deceleration electrode 39 for accelerating / decelerating the ion cluster is provided behind the second AC electric field forming electrode 34 so that the cluster after selection can be accelerated / decelerated and supplied to the subsequent process.
The acceleration / deceleration electrode 39 may be installed before the first AC electric field forming electrode 32 or between the first AC electric field forming electrode 32 and the second AC electric field forming electrode 36 if there is no problem in particle selection. Good.
[0044]
【The invention's effect】
As described above, the charged particle mass sorter of the present invention can select a cluster of the target mass and separate it with high purity. In a wide range of fields, such as formation of crystals and materials, clusters of any mass can be easily supplied and used in large quantities.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an apparatus in which a charged particle mass sorting apparatus according to one embodiment of the present invention is combined with a gas cluster apparatus.
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a charged particle mass sorting apparatus according to the present embodiment.
FIG. 3 is a diagram illustrating the operation of the charged particle mass sorting apparatus in the present embodiment.
FIG. 4 is a trajectory diagram calculated for charged particles having a target mass in this example.
FIG. 5 is a trajectory diagram calculated for a non-target charged particle in this example.
FIG. 6 is a view showing a case where a shielding object is placed between a traveling wave forming electrode on the entrance side and a traveling wave forming electrode on the exit side in the present embodiment.
FIG. 7 is a drawing for explaining the effect of a shielding object in the present embodiment.
FIG. 8 is a conceptual diagram showing an example of a conventional charged particle mass sorting apparatus.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cluster production | generation part 2 Ionization acceleration part 3 Mass selection part 4 Process part 11 Cluster production | generation body main body 12 Nozzle 13 Skimmer 21 Ionization electrode 22 Acceleration electrode 31 Charged particle mass selection apparatus 32 1st alternating current electric field formation electrode 33 1st alternating current power supply 34 1st 2 AC electric field forming electrode 35 2nd AC power source 36 Exit slit 37 Shielding object 38 Slit 39 Acceleration / deceleration electrode

Claims (7)

加速電極で加速された荷電粒子を導入して質量に基づいて選別する交流電界形成部を備えた荷電粒子質量選別装置であって、該交流電界形成部が進行軸を共有した交流電界形成電極と出口スリットと電極電源調整器を備え、該電極電源調整器が前記交流電界形成電極に引加する交流電源を調整し、前記交流電界形成電極が荷電粒子の進行軸に垂直な偏向電界を持つ交流電界を形成し、前記出口スリットが前記荷電粒子の進行軸上に配置されて、前記交流電界の周波数を前記交流電界形成電極を選別目的の荷電粒子が通過する時間の逆数の整数倍に調整することにより該荷電粒子の選別を行って、前記出口スリットから回収することを特徴とする荷電粒子質量選別装置。A charged particle mass sorting apparatus including an AC electric field forming unit that introduces charged particles accelerated by an accelerating electrode and sorts based on mass, the AC electric field forming unit sharing an advancing axis and an AC electric field forming electrode An AC power source having an exit slit and an electrode power source adjuster that adjusts an AC power source applied to the AC electric field forming electrode, and the AC electric field forming electrode has a deflection electric field perpendicular to a traveling axis of charged particles An electric field is formed, and the exit slit is disposed on the traveling axis of the charged particles, and the frequency of the AC electric field is adjusted to an integral multiple of the reciprocal of the time required for the charged particles to pass through the AC electric field forming electrode. The charged particle mass sorting apparatus, wherein the charged particles are sorted and collected from the exit slit. 前記交流電界形成電極と進行軸を共有した同形の第2交流電界形成電極をさらに備えて、前記交流電界形成電極と前記第2交流電界形成電極の間に電極間隙を有し、前記電極電源調整器が前記交流電界形成電極に第1交流電界を形成させ、前記第2交流電界形成電極に第2交流電界を形成させ、該第1交流電界と該第2交流電界の位相差を調整して、前記選別目的の荷電粒子が前記第1交流電界形成電極を通過する間に作用を受ける電界と全く逆の作用を前記第2交流電界形成電極を通過する間に受けるようにすることを特徴とする請求項1記載の荷電粒子質量選別装置。  A second AC electric field forming electrode of the same shape sharing the traveling axis with the AC electric field forming electrode, further comprising an electrode gap between the AC electric field forming electrode and the second AC electric field forming electrode, and adjusting the electrode power supply A first electrode is formed on the AC electric field forming electrode, a second AC electric field is formed on the second AC electric field forming electrode, and a phase difference between the first AC electric field and the second AC electric field is adjusted. The charged particles for the purpose of selection receive an action that is completely opposite to the electric field that is applied while passing through the first AC electric field forming electrode while passing through the second AC electric field forming electrode. The charged particle mass sorting apparatus according to claim 1. 前記電極間隙の幅が調整可能であることを特徴とする請求項2記載の荷電粒子質量選別装置。  The charged particle mass sorting apparatus according to claim 2, wherein a width of the electrode gap is adjustable. 前記電極間隙の前記進行軸上に遮蔽物を配置することを特徴とする請求項2または3記載の荷電粒子質量選別装置。  The charged particle mass sorting apparatus according to claim 2, wherein a shielding object is disposed on the traveling axis of the electrode gap. 請求項2から4のいずれかに記載の荷電粒子質量選別装置において、さらに、前記交流電界形成電極と第2交流電界形成電極の組を2式以上直列に配置したことを特徴とする荷電粒子質量選別装置。  5. The charged particle mass sorting apparatus according to claim 2, wherein two or more sets of the AC electric field forming electrode and the second AC electric field forming electrode are arranged in series. Sorting device. 前記出口スリットが2個以上のスリットを前記進行軸上に配列したもので構成されることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の荷電粒子質量選別装置。  The charged particle mass sorting apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the exit slit is configured by arranging two or more slits on the traveling axis. 前記荷電粒子進行軸上に前記荷電粒子を進行方向に加減速する加減速電極を設置したことを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の荷電粒子質量選別装置。  The charged particle mass sorting apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein an acceleration / deceleration electrode for accelerating and decelerating the charged particles in the traveling direction is provided on the charged particle traveling axis.
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