JP4316466B2 - 平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置 - Google Patents
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Description
平行磁場型ラザフォード散乱装置の構成概略図を図7(a)及び(b)に示す。
一方,前記試料1によって散乱角θで散乱された散乱イオン4は,xy方向に速度成分を持つことから,前記磁場Bによってローレンツ力を受け,xy平面内でサイクロトロン運動を行う。従って前記散乱イオン4は,前記超伝導スペクトロメータX2内で図8に示される螺旋軌道を描く。質量m,電荷qe,エネルギーE[eV],散乱角θで散乱された散乱イオン4の軌道は,次式で与えられる。
しかしながら,特許文献2に記載の発明における2種類の可動式スリットは,試料を配置するための超伝導スペクトロメータ内部に設ける必要がある。前記超伝導スペクトロメータ内部は強磁場の環境に設定されており,前記2種類の可動式スリットは,当該環境下でも作動可能でなければならず,例えば非磁性モータ等の装置類を用いる必要がある。ところが強磁場中でも作動可能な装置類は非常に高価であり,装置全体のコストを大幅に増加させるものであった。また,前記超伝導スペクトロメータ内部は試料汚染を避けるために超高真空に保たれているが,前記超伝導スペクトロメータ内部に前記2種類の可動式スリット等を設置すると,超高真空を保持することが困難となり,試料汚染の原因ともなっていた。
また,サイクロトロン周回数が異なる散乱イオンが検出器により検出されたとしても,検出された散乱イオンのサイクロトロン周回数自体を判別することが可能であれば,判別されたサイクロトロン周回数から前記散乱イオンの飛行軌道が単一に限定されるので,前記散乱イオンのエネルギーを一義的に算出することが可能であり,検出データを有意義に活用することができる。ところが特許文献2に記載の平行磁場型ラザフォード散乱装置では,一定のサイクロトロン周回数を持ったもの以外の散乱イオンは悉く前記可動式スリットにより遮断されており,サイクロトロン周回数の異なった散乱イオンを有意義に活用することは考えられていなかった。そこで,異なったサイクロトロン周回数の散乱イオンを切り捨てるのではなく,前記散乱イオン毎にサイクロトロン周回数を判別し,あらゆるサイクロトロン周回数の散乱イオンの検出データを用いることが可能な平行磁場型ラザフォード散乱装置が望まれていた。
従って,本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり,その目的とするところは,前記超伝導スペクトロメータ内部に余計な装置を設けることなしに,散乱イオンのサイクロトロン周回数を判別することが可能な平行磁場型ラザフォード散乱装置を提供することにある。
これにより,前記散乱イオンが前記検出器に到達するまでに行ったサイクロトロン周回数のデータを得ることが可能である。前記散乱イオンが行ったサイクロトロン周回数を用いれば前記散乱イオンのエネルギーを算出することが可能であり,前記散乱イオンの検出データを全て使用することができる。
またこのような構成とすることで,当該平行磁場型ラザフォード散乱装置の内部には余計な装置類を設置する必要がなくなる。
前記電源は,その電圧が短時間のみ周期的にゼロになるものであればどのようなものを用いても良い。例えば,電圧が三角波状に変化するものであっても良いし,短時間の接地電位と長時間の高電圧とが繰り返される矩形波状の周期電圧を発生するものでも良い。
ここに,図1は本発明の実施の形態における平行磁場型ラザフォード後方散乱装置の概略構成及び信号の流れ図,図2は本発明の実施の形態及び実施例で用いられる電源における電圧の時間変化を表すグラフ,図3は信号発生のタイミングを表すグラフ,図4はヘリウムイオンの1m辺りの飛行時間を表すグラフ,図5及び図6はサイクロトロン周回数の異なった散乱イオンの軌道を表すグラフ,図7は特許文献1に記載の平行磁場型ラザフォード後方散乱装置の構成図,図8は散乱イオンの飛行経路を表す図,図9は特許文献2に記載の平行磁場型ラザフォード後方散乱装置内部の構成概略図,図10は特許文献2に記載の平行磁場型ラザフォード後方散乱装置の作動例を表す図である。尚,従来技術と同様の構成については同一の符号を用いるものとする。
このようにして,前記イオンビーム2はパルス化される。上述したとおり,前記電源10は接地電位と高電圧Vhとを交互に発生させるため,パルス状の前記イオンビーム2は一定の周期毎に発生される。
前記Δt2から前記イオンビーム2の前記試料1への入射時間Δt3を引いた値が前記散乱イオン4の飛行時間である。前記電極9と前記試料1との距離は,例えば1200mmといった一定距離に固定されており,前記Δt3は前記イオンビーム2の速度が判れば計算することができる。ヘリウムイオンの単位長さあたりの移動時間はエネルギーと図4に示される関係にあるので,前記加速器部X1で前記ヘリウムイオンに付与したエネルギーから,前記ヘリウムイオンの速度を求め,前記Δt3を算出すればよい。
図6はサイクロトロン周回数がそれぞれ1回,2回の前記散乱イオン4の軌道である。このとき,前記散乱イオン4の飛行時間はサイクロトロン周回数1回のものが204n秒,2回のものが373n秒のように,十分判別可能な到達時間の差が生じることが知られており,この場合もサイクロトロン周回数の判別が可能である。
サイクロトロン周回数の判別は以下のように行われる。即ち,サイクロトロン周回数から計算される前記散乱イオン4の飛行時間を予め求めておく。例えば,周回数1に対しては190n秒,周回数2に対しては355n秒,周回数3に対しては535n秒,のような計算による対応関係を予め求めておく。前記対応関係は前記信号処理装置15に予め入力され記憶される。予め入力された前記対応関係と,前記パルスタイミング測定装置12から入力された前記散乱イオン4の飛行時間との比較が,前記信号処理装置15によって行われる。前記散乱イオン4の飛行時間は,前記イオンビーム2をパルス化したときに前記電源が接地電位になった時間である前記Δt1程度の不確定性をもつが,サイクロトロン週回数が多くなるほど飛行時間は長くなり,前記Δt1を10n秒のように十分短くすることで,サイクロトロン周回数は容易に判別される。例えば,348n秒の飛行時間が前記パルスタイミング測定装置12により算出された場合,上述の対応関係に従うと,2回のサイクロトロン周回を経て前記検出器6に到達したものと決定される。
以上のような前記散乱イオン4の検出を繰り返すと,前記散乱イオン4のエネルギースペクトルが得られ,前記試料1の分析が可能となる。
電圧が接地電位になる時間,つまり,上述の実施形態でのΔt1があまりにも短時間であると,有意な数のデータを得るのに時間がかかるため,適切な長さを確保する必要がある。逆に余りにも長すぎると,散乱イオンの飛行時間からサイクロトロン周回数を特定するのが困難になる。例えば,周回数4回の散乱イオンの飛行時間が580n秒,周回数5の前記散乱イオンが620n秒であるとする。このとき前記電圧が接地電位になる時間を50n秒としたのでは,周回数4回の散乱イオンが周回数5回の散乱イオンよりも遅れて検出器に到達する事も起こりえる。また,例えば600n秒付近の飛行時間が測定された場合,この散乱イオンの週回数が4回であるか5回であるのかを判別するのは困難である。これら事情を考慮した上で,前記Δt1は短すぎずかつ長すぎない適切な時間に設定しなければならない。
2…イオンビーム
3…ソレノイドコイル(磁場発生手段に相当)
4…散乱イオン
5…アパーチャ(イオン選別手段に相当)
6…検出器(散乱イオン検出手段に相当)
7…円盤型スリット
8…円筒型スリット
9…電極
10…電源
11…スリット
12…パルスタイミング測定装置
13…パルス信号処理装置
14…パルス整形装置
15…信号処理装置
Claims (4)
- イオンビームが入射した試料により散乱された散乱イオンを検出する散乱イオン検出手段と,前記試料と前記散乱イオン検出手段との間の空間に前記イオンビームに平行かつ一様な磁場を発生させる磁場発生手段と,前記散乱イオン検出手段に対して前記イオンビームの下流側に配置され,前記散乱イオンのうち特定のエネルギーを有する前記散乱イオンのみを通過させる散乱イオン選別手段としてのスリットを具備してなる超伝導スペクトロメータを備えてなる平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置であって,
イオンビームの前記超伝導スペクトロメータより上流側に配置され,イオンビームが前記超伝導スペクトロメータ内に入射される前に前記イオンビームをパルス化するためのパルス化手段であって,時間的に変化する電圧を発生する電源と,前記電源に接続され時間的に変化する電場を発生させるための,前記散乱イオン検出手段に対して前記超伝導スペクトロメータの上流に配置された互いに対向する2つの電極と,を備えてなるパルス化手段と,
前記パルス化手段によってイオンビームがパルス化された時間を記憶するパルス化時間記憶手段と,前記散乱イオンが検出された時間を測定する検出時間測定手段とを備えてなり,前記パルス化時間記憶手段に記憶された前記イオンビームがパルス化された時間と,前記検出時間測定手段で測定された前記散乱イオンが検出された時間との差に基づいて前記散乱イオンの飛行時間を演算する散乱イオン飛行時間測定手段と,
を備えてなり,
前記試料から前記散乱イオン検出手段までの散乱イオンのサイクロトロン周回運動におけるサイクロトロン周回数から計算される前記散乱イオンの前記試料から前記散乱イオン検出手段までの飛行時間を予め求めて記憶しておき,この記憶された飛行時間と,前記散乱イオン飛行時間測定手段によって測定された前記散乱イオンの飛行時間とを比較することにより前記散乱イオンのサイクロトロン周回数を判別することを特徴とする平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置。 - 前記電源が交流電源である請求項1に記載の平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置。
- 前記電源による電圧が三角波状に時間変化するものである請求項1あるいは2のいずれかに記載の平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置。
- 前記電源による電圧が,短時間の接地電圧と長時間の高電圧との繰り返しによる矩形波状の周期電圧である請求項1あるいは2のいずれかに記載の平行磁場型ラザフォード後方散乱分析装置。
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