JP4390815B2 - Slow positron beam generator - Google Patents
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Description
本発明は、低速の陽電子ビームを発生するための装置に関し、特に小型化された低速陽電子ビーム発生装置に関する。 The present invention relates to an apparatus for generating a low-speed positron beam, and more particularly to a miniaturized low-speed positron beam generator.
近年、固体表面近傍の空孔型欠陥を非破壊で感度良く検出する方法として、陽電子消滅を利用する方法が注目されている。陽電子消滅とは、固体材料中に打ち込まれた陽電子が材料中の空孔型欠陥に捉えられている電子と対消滅して、γ線を放出する現象である。陽電子の寿命、放出されたγ線のエネルギー分布、放出角度の分布等を測定し分析することによって、材料の格子欠陥や電子構造についての重要な情報を得ることが出来る。 In recent years, a method using positron annihilation has been attracting attention as a method for non-destructively detecting a vacancy-type defect in the vicinity of a solid surface. Positron annihilation is a phenomenon in which positrons injected into a solid material annihilate with electrons captured by vacancy-type defects in the material and emit γ rays. By measuring and analyzing the lifetime of the positron, the energy distribution of the emitted γ-rays, the distribution of the emission angle, etc., it is possible to obtain important information about the lattice defects and the electronic structure of the material.
陽電子消滅による材料分析は、上述したように試料を非破壊で分析できること、試料の電導性や温度等の制約が少ないこと、等の特徴に基づいて、半導体、金属、金属酸化物、高分子等の材料に幅広く適用することが可能である。この手法を用いて、各種Si半導体デバイス材料の評価を行った結果、材料開発の現場へ有効な情報を提供できることがわかってきた(例えば、非特許文献1、2参照)。 Material analysis by positron annihilation is based on the characteristics such as non-destructive analysis of samples as described above and few restrictions such as conductivity and temperature of samples, semiconductors, metals, metal oxides, polymers, etc. It is possible to apply to a wide range of materials. As a result of evaluating various Si semiconductor device materials using this technique, it has been found that effective information can be provided to the field of material development (for example, see Non-Patent Documents 1 and 2).
陽電子消滅を利用した材料の評価装置として、種々のものが開発されている(例えば、特許文献1、2参照)。 Various devices have been developed as materials evaluation devices using positron annihilation (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
図1に、特許文献2に示されている欠陥評価装置の構造を示す。この装置は、低速陽電子ビーム発生装置100と、この装置内に保持された被測定試料から発生するγ線を検出するための検出器102とで構成されている。検出器としては、γ線を吸収して電流を発生する半導体検出器等が使用される。あるいは、γ線の照射によって蛍光を発生する装置によって検出することもできる。低速陽電子ビーム発生装置1は、陽電子を発生する線源と発生した陽電子を低速化するモデレータとを含む線源部103、線源部103から出射した低速陽電子のうち所望のエネルギーを有する陽電子を選択的に取り出すエネルギー弁別部104、エネルギー弁別された陽電子を試料方向に加速して輸送する加速部105、および試料保持部106から構成されている。線源部103、エネルギー弁別部104、加速部105および試料保持部106は、一体の真空チャンバーで構成される。
FIG. 1 shows the structure of the defect evaluation apparatus disclosed in
エネルギー弁別部3は、通常、E×Bフィルタで構成され、E×Bフィルタは実際は平行平板コンデンサで構成されるが、平行平板コンデンサをそのまま用いたのでは、出力される陽電子ビームの歪みが激しいので、これを防ぐために、通常は平行平板を半円形状に曲げた構造のコンデンサが使用される。なお、磁場Bは外部に設けた電磁コイル110によって生成される。
The energy
図1において、107a、107bは、線源から放出された種々のエネルギーを有する陽電子のうち、エネルギー弁別され測定に使用される以外の陽電子が試料部方向に向かうのを防止するための遮蔽板であり、通常、Pb、W等の重金属で構成されている。108は加速電極であり、エネルギー弁別された、例えば100eV程度のエネルギーを有する低速陽電子を、例えば0〜30keVの範囲の所望のエネルギーまで加速して、試料保持部106内に設置した被測定試料109に照射するためのものである。
In FIG. 1, 107 a and 107 b are shielding plates for preventing positrons having various energies emitted from the radiation source, other than energy discrimination and being used for measurement, from moving toward the sample portion. In general, it is composed of heavy metals such as Pb and
図1の低速陽電子ビーム発生装置100において、線源部103、エネルギー弁別部104、加速部105および試料保持部106を含む真空チャンバーは、その外周の全長に亘って電磁コイル110が設けられ、真空チャンバー内に磁場が形成される。線源部103で発生した陽電子は、この磁場に案内されて試料保持部106の被測定試料まで輸送される。
In the low-speed positron
図1に示すように、従来の低速陽電子ビーム発生装置100は、陽電子の輸送のための磁場を形成するために、装置の全長に亘って電磁コイル110を設けている。そのため、装置全体が大型化する傾向がある。半導体の物性を評価するための他の装置、例えば、オージェ分析装置、蛍光X線分析装置等と比較して、装置の大型化の傾向が顕著である。具体的には、特許文献2で提案された低速陽電子ビーム発生装置では、ビームラインが3〜5mの長さとなっている。
As shown in FIG. 1, a conventional low-speed positron
一方、半導体産業においては、SoCの高性能化、高信頼性化の訴求のため、高機能材料の開発が必須になりつつある。材料の欠陥物性解析に対し、上記の低速陽電子ビームを用いた物性解析は有効な手段であるが、試料の評価のためには、製造装置から試料を一旦大気中へ取り出し、γ線測定のために低速陽電子ビーム発生装置に挿入する必要がある。従って、半導体デバイスの製造プロセス中に試料の評価をすることはできない。 On the other hand, in the semiconductor industry, development of highly functional materials is becoming indispensable in order to promote the high performance and high reliability of SoC. The physical property analysis using the above-mentioned low-speed positron beam is an effective means for analyzing the physical properties of defects in materials. However, in order to evaluate a sample, the sample is once taken out from the manufacturing equipment into the atmosphere and used for γ-ray measurement. It is necessary to insert into a low-speed positron beam generator. Therefore, the sample cannot be evaluated during the semiconductor device manufacturing process.
ところが、低速陽電子ビーム発生装置を現在の大きさから更に小型化することが出来れば、この装置を半導体デバイスの製造装置、あるいはその他の評価システムに併設し、あるいは、これらに組み込むことによって、製造プロセスのモニタリングが可能となる。これによって、試料の欠陥物性解析が進展し、次世代のSiテクノロジー関連材料の設計と製造に有効な指針を与えることができるようになる。 However, if the low-speed positron beam generator can be further reduced from its current size, the manufacturing process can be performed by installing this device in a semiconductor device manufacturing apparatus or other evaluation system, or by incorporating it in these devices. Can be monitored. As a result, the defect physical property analysis of the sample progresses, and an effective guideline can be given to the design and manufacture of the next-generation Si technology related material.
なお、陽電子消滅による空孔型欠陥の評価原理、評価方法等に関しては、非特許文献1、2あるいは特許文献1、2に詳細に記載されているので参照されたい。これらは本発明の主要部ではないので、ここでは説明しない。
Note that the evaluation principle, evaluation method, etc. of the vacancy-type defects due to positron annihilation are described in detail in
上述したように、低速陽電子ビーム発生装置の小型化は、この装置を他の材料評価装置あるいは半導体デバイスの製造装置と共存させるために必須の要件であるが、現状ではその目的を達成する程度まで充分に小型化されていない。 As described above, the downsizing of the low-speed positron beam generator is an indispensable requirement for coexistence of this apparatus with other material evaluation apparatuses or semiconductor device manufacturing apparatuses. It is not downsized enough.
本発明はかかる点に関してなされたもので、他の材料評価装置あるいは半導体デバイスの製造装置と共存が可能な程度に小型化された、低速陽電子ビーム発生装置を提供することをその課題とする。 The present invention has been made in view of this point, and it is an object of the present invention to provide a low-speed positron beam generator that is miniaturized to the extent that it can coexist with other material evaluation apparatuses or semiconductor device manufacturing apparatuses.
本発明に係る第1の装置は、上記課題を解決するために、真空チャンバー内に、陽電子源で生成されモデレータによって低速化された陽電子ビームのうち所望のエネルギーを有する陽電子ビームを取り出すためのエネルギー弁別器と、被測定試料を保持する試料保持部と、前記エネルギー弁別器を出射した陽電子ビームを加速して前記被測定試料に照射するための加速部と、を備える低速陽電子ビーム発生装置において、前記真空チャンバー内の前記加速部の、前記試料保持部に隣接する位置に、前記陽電子ビームを前記被測定試料上に輸送するための磁場を発生する第1の永久磁石を配置し、前記エネルギー弁別器は、前記真空チャンバーの外部に設けた第1の電磁コイルと、前記真空チャンバーの内部に重金属を材料として形成された電極部とで構成され、前記電極部は、相対向する表面を有する第1および第2の電極に分離され、前記相対向する表面で形成される空間は前記陽電子源で生成されかつ低速化された陽電子ビームが通過し前記加速部へ向かうための通路を形成すると共に、前記電極部は、前記通路を通過可能なエネルギーを有する陽電子ビーム以外の陽電子ビームを遮蔽するように、前記通路を残して前記真空チャンバーの前記エネルギー弁別器が形成される部分の空間を充填するように形成されることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a first apparatus according to the present invention is an energy for extracting a positron beam having a desired energy from a positron beam generated by a positron source and slowed by a moderator in a vacuum chamber. In a low-speed positron beam generator comprising: a discriminator; a sample holding unit that holds a sample to be measured; and an acceleration unit for accelerating the positron beam emitted from the energy discriminator and irradiating the sample to be measured. A first permanent magnet that generates a magnetic field for transporting the positron beam onto the sample to be measured is disposed at a position adjacent to the sample holder in the acceleration unit in the vacuum chamber, and the energy discrimination The container includes a first electromagnetic coil provided outside the vacuum chamber, and an electric electrode formed of heavy metal as a material inside the vacuum chamber. The electrode part is separated into first and second electrodes having opposing surfaces, and the space formed by the opposing surfaces is generated by the positron source and slowed down A passage for a positron beam to pass to the acceleration unit is formed, and the electrode unit leaves the passage so as to shield a positron beam other than a positron beam having energy that can pass through the passage. A vacuum chamber is formed so as to fill a space of a portion where the energy discriminator is formed .
上記構成の装置では、エネルギー弁別器を出射し加速部によって加速された低速陽電子ビームは、第1の永久磁石によりにより輸送されて被測定試料に照射される。そのため、真空チャンバー外部の少なくとも試料保持部周辺において、陽電子ビームを被測定試料上に輸送するための電磁コイルを設ける必要が無い。その結果、低速陽電子ビーム発生装置全体を小型化することが出来る。 In the apparatus having the above configuration, the low-speed positron beam emitted from the energy discriminator and accelerated by the accelerating unit is transported by the first permanent magnet and applied to the sample to be measured. Therefore, it is not necessary to provide an electromagnetic coil for transporting the positron beam onto the sample to be measured at least around the sample holder outside the vacuum chamber. As a result, the entire slow positron beam generator can be reduced in size.
また、前記電極部はPb、W、ステンレスのいずれかで構成してもよい。 The electrode portion may be made of Pb, W, or stainless steel.
更に、前記加速部を、前記真空チャンバーの外部に設けた第2の電磁コイルと、前記真空チャンバー内に形成された加速電極とによって構成してもよい。 Furthermore, you may comprise the said acceleration part with the 2nd electromagnetic coil provided in the exterior of the said vacuum chamber, and the acceleration electrode formed in the said vacuum chamber.
あるいは、前記加速部を、前記真空チャンバー内に設置された第2の永久磁石で構成し、かつ、前記被測定試料に負の電圧を印加するようにしてもよい。 Alternatively, the accelerating unit may be constituted by a second permanent magnet installed in the vacuum chamber, and a negative voltage may be applied to the sample to be measured.
更に、前記真空チャンバー内の前記被測定試料の前方に、前記陽電子ビームの軌道を安定化するためのビーム安定化装置を設けてもよい。 Furthermore, a beam stabilization device for stabilizing the trajectory of the positron beam may be provided in front of the sample to be measured in the vacuum chamber.
更に、前記第1、第2の永久磁石をリング状の永久磁石で構成してもよい。 Furthermore, you may comprise the said 1st, 2nd permanent magnet with a ring-shaped permanent magnet.
本発明に係る第2の装置は、上記課題を解決するために、真空チャンバー内に、陽電子源で生成されモデレータによって低速化された陽電子ビームのうち所望のエネルギーを有する陽電子ビームを取り出すためのエネルギー弁別器と、被測定試料を保持する試料保持部と、前記エネルギー弁別器を出射した陽電子ビームを加速して前記被測定試料に照射するための加速部と、を備える低速陽電子ビーム発生装置において、前記エネルギー弁別器を、前記真空チャンバーの外部に設けた第1の電磁コイルと、前記真空チャンバーの内部に重金属を材料として形成された電極部とで構成し、更に、前記電極部を、相対向する表面を有する第1および第2の電極に分離し、前記相対向する表面で形成される空間が前記陽電子源で生成されかつ低速化された陽電子ビームが通過し前記加速部へ向かうための通路を形成し、前記電極部が、前記通路を通過可能なエネルギーを有する陽電子ビーム以外の陽電子ビームを遮蔽するように、前記通路を残して前記真空チャンバーの前記エネルギー弁別部が形成される部分の空間を充填するように形成されていることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the second apparatus according to the present invention is an energy for extracting a positron beam having a desired energy from a positron beam generated by a positron source and slowed by a moderator in a vacuum chamber. In a low-speed positron beam generator comprising: a discriminator; a sample holding unit that holds a sample to be measured; and an acceleration unit for accelerating the positron beam emitted from the energy discriminator and irradiating the sample to be measured. The energy discriminator comprises a first electromagnetic coil provided outside the vacuum chamber , and an electrode portion formed of a heavy metal as a material inside the vacuum chamber , and the electrode portion is opposed to each other A space formed by the opposing surfaces is generated in the positron source and is slowed down. Is to positron beam passes to form a path for going to the acceleration unit has, the electrode portion, so as to shield the positron beam other than positron beam having an energy capable of passing through the said passage, leaving the passageway characterized in that it is formed a space portion where the energy discriminator of the vacuum chamber is formed so as to Hama charge.
上記第2の装置では、エネルギー弁別部を、外部の電磁コイルで発生する磁場と、前記第1、第2の電極間に形成される電場とによって構成される、E×Bフィルタで構成している。このとき、第1、第2の電極からなる電極部は、エネルギー弁別部の内部空間をほぼ充填する形状を有しており、更に、陽電子ビームを吸収する重金属を材料として構成されている。従って、このエネルギー弁別部は、種々のエネルギーを有する陽電子ビームをフィルタリングする機能と、必要なエネルギーを有する陽電子ビーム以外の陽電子ビームを吸収する遮蔽機能とを有する。その結果、従来必要であった遮蔽板が不必要となり、低速陽電子ビーム発生装置の小型化に寄与する。 In the second apparatus, the energy discriminating unit is configured by an E × B filter including a magnetic field generated by an external electromagnetic coil and an electric field formed between the first and second electrodes. Yes. At this time, the electrode part composed of the first and second electrodes has a shape that substantially fills the internal space of the energy discriminating part, and is made of a heavy metal that absorbs the positron beam. Therefore, this energy discriminating unit has a function of filtering a positron beam having various energies and a shielding function of absorbing a positron beam other than a positron beam having a necessary energy. As a result, the conventionally required shielding plate is unnecessary, which contributes to the downsizing of the low-speed positron beam generator.
また、このエネルギー弁別部は、陽電子の遮蔽体でその内部空間がほぼ充填された構造を有するので、線源において全方向に発生する陽電子が試料保持部に漏れ出すのをほぼ完全に防止することができる。その結果、エネルギー弁別器から試料保持部までの距離を長くして、この部分で測定時のバックグランドノイズを形成する不要な陽電子を吸収させる等の構成が不要となる。これによって、低速陽電子ビーム発生装置を更に小型化することが可能となる。なお、バックグランドノイズとは、測定に使用されない不要な陽電子が試料保持部に達し、内部の物質と衝突して消滅γ線を形成し、これが検出器によって検出されることによって発生するものである。従って、不要な陽電子を完全に遮蔽できれば、バックグランドノイズは低減される。 In addition, the energy discriminating part has a structure in which the interior space is almost filled with a positron shield, so that positrons generated in all directions in the radiation source can be almost completely prevented from leaking to the sample holder. Can do. As a result, it is not necessary to increase the distance from the energy discriminator to the sample holder and absorb unnecessary positrons that form background noise during measurement at this portion. This makes it possible to further reduce the size of the low-speed positron beam generator. The background noise is generated when unnecessary positrons not used for measurement reach the sample holder and collide with an internal substance to form annihilation γ rays, which are detected by a detector. . Therefore, if unnecessary positrons can be completely shielded, the background noise is reduced.
なお、前記第2の装置において、前記電極部をPb、W、ステンレスのいずれかで構成するようにしても良い。 In the second apparatus, the electrode portion may be made of Pb, W, or stainless steel.
上記第1の装置によれば、エネルギー弁別部を出射した陽電子ビームを、被測定試料周辺に設けた第1の永久磁石で被測定試料上に輸送しているため、従来の装置で必要であった真空チャンバー外部の電磁コイルのうち、少なくとも試料保持部周辺の電磁コイルが不要となる。その結果、装置全体を従来の装置に比べて小型化することが可能である。なお、従来の装置で加速部を構成していた電磁コイルを、真空チャンバー内に配置した、第1の永久磁石とは異なる永久磁石で代替すれば、装置全体をより小型化することが出来る。このとき、加速部を接地し、被測定試料を負の電位に設定すれば、陽電子ビームは被測定試料の方向に向かって加速されるため、加速部内部に加速電極を設ける必要はない。更に、第2の装置によっても、遮蔽板が不要となり、またバックグランドノイズの発生を考慮する必要がなくなるので、装置全体をより小型化することが可能となる。 According to the first apparatus, the positron beam emitted from the energy discriminating unit is transported onto the sample to be measured by the first permanent magnet provided around the sample to be measured. Of the electromagnetic coils outside the vacuum chamber, at least the electromagnetic coil around the sample holder is not necessary. As a result, the entire apparatus can be reduced in size as compared with the conventional apparatus. In addition, if the electromagnetic coil which comprised the acceleration part with the conventional apparatus is replaced with the permanent magnet different from the 1st permanent magnet arrange | positioned in a vacuum chamber, the whole apparatus can be reduced more in size. At this time, if the accelerating portion is grounded and the sample to be measured is set to a negative potential, the positron beam is accelerated toward the sample to be measured, so that it is not necessary to provide an accelerating electrode inside the accelerating portion. In addition, the second device also eliminates the need for a shielding plate and eliminates the need to consider the occurrence of background noise, so that the entire device can be further downsized.
以上の結果、本発明に係る装置を半導体デバイスの製造装置あるいはその他の評価システムに併設し、あるいはこれらに組み込むことが可能となるので、半導体デバイス等の製造プロセス中の材料評価が可能となり、高機能材料の開発に大きく貢献する。 As a result of the above, the apparatus according to the present invention can be added to or incorporated in a semiconductor device manufacturing apparatus or other evaluation system, so that it is possible to evaluate materials during the manufacturing process of semiconductor devices and the like. Contributes greatly to the development of functional materials.
発明者等は、低速陽電子ビーム発生装置を小型化する上で、陽電子ビームを被測定試料上に輸送するための磁場を形成する電磁コイルの存在が最も障害となると考えた。電磁コイルは真空チャンバー内に収納することができない為、その分、装置が大型化するためである。そこで、電磁コイルの一部を永久磁石で代替し、真空チャンバー内に配置することを考えた。永久磁石は、電磁コイルに比べて小さな容積で強い磁場を発生するので、その分、装置全体を小型化することができる。 The inventors considered that the existence of an electromagnetic coil that forms a magnetic field for transporting the positron beam onto the sample to be measured is the most obstacle to downsizing the low-speed positron beam generator. This is because the electromagnetic coil cannot be housed in the vacuum chamber, and the size of the device is increased accordingly. Therefore, it was considered that a part of the electromagnetic coil was replaced with a permanent magnet and placed in a vacuum chamber. Since the permanent magnet generates a strong magnetic field with a smaller volume than the electromagnetic coil, the entire apparatus can be downsized accordingly.
種々の実験の結果、永久磁石を被測定試料の周辺に配置することによって、試料チャンバー周辺の電磁コイルを取り除いても充分に、陽電子ビームが被測定試料上に安定して輸送されることを見出した。本発明の装置はこの発見を基に構成されたものである。 As a result of various experiments, it has been found that by arranging a permanent magnet around the sample to be measured, the positron beam can be stably transported onto the sample to be measured even if the electromagnetic coil around the sample chamber is removed. It was. The apparatus of the present invention is constructed based on this discovery.
被測定試料周辺の電磁コイルを永久磁石で代替することにより、装置全体の小型化が可能となったが、一方で、γ線の検出器においてバックグランドノイズが増加する傾向が見られた。バックグランドノイズは、陽電子源で発生した陽電子のうち測定に使用する陽電子ビーム以外の陽電子が試料チャンバーに侵入し、内部の物質と衝突して消滅γ線を生成し、これが検出器によって検出されることにより発生する。 By replacing the electromagnetic coil around the sample to be measured with a permanent magnet, the entire apparatus can be miniaturized. On the other hand, background noise tends to increase in γ-ray detectors. In the background noise, positrons other than the positron beam used for measurement among positrons generated from the positron source enter the sample chamber and collide with the internal material to generate annihilation gamma rays, which are detected by the detector. Caused by
従って、エネルギー弁別器に入射する以外の陽電子を完全に遮蔽するために、従来の板状の簡便な遮蔽板に代わって比較的大型の遮蔽用構造体を設ける必要がある。しかしながら、その分、装置が大型化する。本発明者等は、そこで、エネルギー弁別のために設けるE×Bフィルタに不要陽電子の遮蔽機能を持たせることによって、遮蔽用の構造体を不要とすることを考えた。以下の実施形態で説明されるE×Bフィルタは、このような考えに基づいて発明されたものである。 Therefore, in order to completely shield positrons other than those incident on the energy discriminator, it is necessary to provide a relatively large shielding structure instead of the conventional simple shielding plate. However, the size of the device increases accordingly. Therefore, the present inventors considered that an E × B filter provided for energy discrimination has a shielding function for unnecessary positrons, thereby eliminating the need for a shielding structure. The E × B filter described in the following embodiments has been invented based on such an idea.
以下に、本発明の種々の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の各図において、同一の符号は、同一または類似の構成要素を示すので、重複した説明は行わない。 Various embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, in each following figure, since the same code | symbol shows the same or similar component, the overlapping description is not performed.
[第1の実施形態]
図2の(a)は、本発明の第1の実施形態に係る低速陽電子ビーム発生装置1の概略構成を示す図であり、図(b)は、図(a)のA−A’線上断面図である。図2(a)において、2は真空チャンバー内に設けられた線源部を示し、例えば22Na等の放射性同位元素を保持する線源と、この線源から放射された陽電子を低速化するモデレータとで構成されている。3はエネルギー弁別器を構成するE×Bフィルタ、4はE×Bフィルタ3から出射する陽電子ビームを加速部5まで通過させるためのアパーチャを示す。アパーチャ4の加速部側には、リング状あるいはドーナツ状(以下、リング状と言う)の永久磁石6が配置されている。
[First Embodiment]
2A is a diagram showing a schematic configuration of the low-speed positron beam generator 1 according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG. FIG. In FIG. 2A,
7は、真空チャンバーの外部に装着された電磁コイルであって、線源部2、E×Bフィルタ3、アパーチャ4および永久磁石6の部分をカバーするように形成されている。電磁コイル7で発生される磁場は、線源部2においては、線源から全方向に放射される陽電子のうちより多くの陽電子がE×Bフィルタ3の方向に向かうようにし、E×Bフィルタ3においてはフィルタリングに必要な磁場Bを形成し、アパーチャ4の出力側では、陽電子がE×Bフィルタ3から加速部5へ出射しやすくする。E×Bフィルタ3の構成については、図2(b)を参照して後述する。
図2(a)において、8は加速部5を構成する加速管であり、内部に複数の加速電極8a、8a・・・を備えている。また、外部に加速用の電磁コイル8b、8bを備えている。9は試料保持部を構成する試料チャンバーであり、その一部9aにおいて、ベローズ10を介して加速管8と接続されている。ベローズ10は、加速部8を機械的な振動による破損から守るために挿入されている。試料チャンバー9内では、陽電子ビームの軌道上に被測定試料11を配置する。
In FIG. 2 (a),
12は、被測定試料11の近辺に配置された永久磁石であり、リング状の形状を有している。13は、試料チャンバー9において、被測定試料11の背後(被測定試料11と図示しないγ線検出器間)に設けたリング状の永久磁石である。なお、12、13は何れもネオジウム(Nd)等を材料とする通常の永久磁石で構成することが出来る。本発明者等は、上述したように、被測定試料11の周辺に設けたこれらの永久磁石12、13が、従来装置において試料チャンバー周辺に設けた電磁コイルの働きを充分に代替していることを確認した。従って、図2に示す装置では、試料チャンバー9の周辺には電磁コイルを設けていない。
試料チャンバー9は排気口14を有し、図示しない真空ポンプに接続されることによって、線源部2、E×Bフィルタ3を備えるエネルギー弁別部、加速部5、試料チャンバー9内を排気する。陽電子消滅の実験は真空中で行われる。
The
以下に、図2(b)を参照して、E×Bフィルタ3の構造を説明する。本実施形態のE×Bフィルタ3は、真空チャンバーのE×Bフィルタ3を配置する空間をほぼ充填する円柱の形状を有している。図2(b)において、20はE×Bフィルタ3を収容する真空チャンバーの内壁を示す。E×Bフィルタ3は、図示するように、第1の電極21と第2の電極22を有している。第1の電極21と第2の電極22との相対向する表面は、同心の半円形状とされ、第1、第2の電極間に陽電子ビームが通過する空間23が形成されている。したがって、第1、第2の電極21、22に電圧を印加することによって、陽電子ビームが通過する空間23に所望の電場Eを形成することが出来る。
Hereinafter, the structure of the E ×
E×Bフィルタ3は、外部の電磁コイル7によって生成される磁場Bと、第1、第2の電極21、22間に形成される電場Eとの相互作用によって、所望のエネルギーの陽電子ビームのみを選択して通過させる働きをする。E×Bフィルタ3の長さを含めた形状は、陽電子ビームの軌道計算を行うことによって、決定される。なお、線源部2はE×Bフィルタ3の中心より外れた位置に配置され、E×Bフィルタ3の出力部はその中心に設けられる。これは、E×Bフィルタ3によって、所望のエネルギーの陽電子ビームのみを軌道を変えて取り出すためである。E×Bフィルタ3を出射した陽電子ビームを、更にアパーチャ4を通過させることによって、真空チャンバーの中心軸上に沿って飛翔する陽電子ビームを形成することができる。
The E ×
電極21、22を含むE×Bフィルタ3は、例えば鉛(Pb)、タングステン(W)、ステンレスなどの重金属を材料として形成される。これによって、E×Bフィルタ3自体が陽電子の遮蔽体としての機能を有するようになり、線源部2で生成された種々のエネルギーを有する陽電子ビームのうち、E×Bフィルタ3を通過する以外の陽電子ビームがほぼ完全に遮蔽されることになる。そのため、本実施形態の装置では、図1に示す従来の装置とは異なり、E×Bフィルタ3とは別個の陽電子遮蔽体を設ける必要が無くなり、その分、装置を小型化することができる。
The E ×
更に、E×Bフィルタ3によって、ほぼ完全にバックグランドノイズの原因となる高エネルギー陽電子の漏洩を防止できるので、加速部5の長さを不必要に長くしてこの部分で高エネルギーの陽電子を吸収させる等の構成は不要となる。従って、装置を更に小型化することが可能となる。
Further, the E ×
以上の結果から、本実施形態の装置では、従来の低速陽電子ビーム発生装置に比べてそのビームラインを遥かに短くすることが可能となった。一例では、図2の長さLがほぼ1mである装置を構成することができた。これは、従来の装置が3〜5mの長さを有していることに比べて、大幅に小型化されている。 From the above results, the apparatus of this embodiment can make the beam line much shorter than the conventional low-speed positron beam generator. In one example, an apparatus having a length L of FIG. 2 of approximately 1 m could be configured. This is a significant reduction in size compared to conventional devices having a length of 3-5 m.
[第2の実施形態]
図3の(a)は、本発明の第2の実施形態に係る低速陽電子ビーム発生装置30の構成を示す図であり、図(b)は図(a)のA−A’線上断面図である。本実施形態の装置は、その構成のほとんどが図2に示す第1の実施形態にかかる装置1と同じであるが、加速部5と試料チャンバー9間に、ゲートバルブ32を設けた点が異なっている。ゲートバルブ32は、被測定試料11の交換等のために試料チャンバー9の真空を破った場合、線源部2を大気に暴露しないように挿入されている。
[Second Embodiment]
FIG. 3A is a diagram showing a configuration of a low-speed
本実施形態によれば、ゲートバルブ32を設けた分ビームラインが長くなるが、E×Bフィルタ3の構成、更に被測定試料11の周辺に設けたリング状永久磁石12の効果によって、全長が1.1m程度の低速陽電子ビーム発生装置を構成することができた。
According to this embodiment, the beam line becomes longer by the provision of the
[第3の実施形態]
図4は、本発明の第3の実施形態に係る低速陽電子ビーム発生装置40の構成を示す図である。図2、3と同様に、図4の(a)は装置全体の構成図であり、図4(b)は図(a)のA−A’線上断面図である。本実施形態の装置は、図3に示す第2の実施形態の装置の変形であって、陽電子ビームの加速部5と永久磁石12間に、ビームの安定化装置42を設けた点で第2の実施形態の装置とは異なっている。ビーム安定化装置42は、例えばx軸およびy軸方向に設けた2個の平行平板コンデンサで構成され、電極に印加する電圧を調整することによって陽電子ビームの軌道を修正し安定させる機能を有している。
[Third Embodiment]
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a low-speed
ゲートバルブ32を加速部5と永久磁石12間に設けたことにより、両者の間隔が多少長くなった場合であっても、ビーム安定化装置42への印加電圧を調整することによって陽電子ビームの軌道を修正し、被測定試料11に正確に入射させることができる。なお、ビーム安定化装置42は、図2に示す第1の実施形態に係る装置に設けてもよい。
By providing the
[第4の実施形態]
図5は、本発明の第4の実施形態に係る低速陽電子ビーム発生装置50の構成を示す図であり、図5(a)は装置50の全体構成を、図(b)は図(a)のA−A’線上断面図を示す。本実施形態の装置は、第1乃至第3の実施形態に係る装置とは加速部52の構造において相違している。本実施形態の加速部52は、加速管54の内部に複数のリング状永久磁石56、56・・・を配置し、加速部52の真空チャンバー外部に電磁コイルを設けない構成を特徴としている。
[Fourth Embodiment]
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a low-speed positron
リング状永久磁石56、56・・・は、エネルギー弁別部のアパーチャ4から出射した陽電子ビームを被測定試料11の方向に輸送するための磁場を形成するが、この永久磁石56、56・・・のみでは陽電子ビームを所望のエネルギーに加速することはできない。本実施形態では、陽電子ビームの加速のために、被測定試料11を負の電位に設定する。この場合、加速部52を接地しておく必要がある。この結果、アパーチャ4と被測定試料11間に電位差が形成され、その間を飛翔する陽電子ビームが加速される。
The ring-shaped
なお、図示するように、被測定試料11の近くにビーム安定化装置42を配置することによって、陽電子ビームの軌道を修正し安定化させて、ビームが正確に被測定試料11に入射するようにしてもよいが、ビーム安定化装置42は必ずしも必要なものではない。
As shown in the figure, the
本実施形態の装置によれば、E×Bフィルタ3の部分に形成した電磁コイル7を残して、その他の電磁コイルを全て撤去することができるので、低速陽電子ビーム発生装置50を更に小型化することが可能となる。
According to the apparatus of the present embodiment, the
1 低速陽電子ビーム発生装置
2 線源部
3 E×Bフィルタ
4 アパーチャ
5 加速部
7 電磁コイル
8 加速管
8a 加速電極
8b 電磁コイル
9 試料チャンバー
10 ベローズ
11 被測定試料
12、13 永久磁石
20 真空チャンバーの内壁
21、22 第1、第2の電極
23 空間
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Low-speed
Claims (8)
陽電子源で生成されモデレータによって低速化された陽電子ビームのうち所望のエネルギーを有する陽電子ビームを取り出すためのエネルギー弁別器と、
被測定試料を保持する試料保持部と、
前記エネルギー弁別器を出射した陽電子ビームを加速して前記被測定試料に照射するための加速部と、を備える低速陽電子ビーム発生装置において、
前記真空チャンバー内の前記加速部の、前記試料保持部に隣接する位置に、前記陽電子ビームを前記被測定試料上に輸送するための磁場を発生する第1の永久磁石を配置し、
前記真空チャンバー内の前記加速部の、前記試料保持部に隣接する位置に、前記陽電子ビームを前記被測定試料上に輸送するための磁場を発生する第1の永久磁石を配置し、
前記エネルギー弁別器は、前記真空チャンバーの外部に設けた第1の電磁コイルと、前記真空チャンバーの内部に重金属を材料として形成された電極部とで構成され、前記電極部は、相対向する表面を有する第1および第2の電極に分離され、前記相対向する表面で形成される空間は前記陽電子源で生成されかつ低速化された陽電子ビームが通過し前記加速部へ向かうための通路を形成すると共に、前記電極部は、前記通路を通過可能なエネルギーを有する陽電子ビーム以外の陽電子ビームを遮蔽するように、前記通路を残して前記真空チャンバーの前記エネルギー弁別器が形成される部分の空間を充填するように形成されることを特徴とする、低速陽電子ビーム発生装置。 In the vacuum chamber,
An energy discriminator for extracting a positron beam having a desired energy among positron beams generated by a positron source and slowed by a moderator;
A sample holder for holding the sample to be measured;
In a low-speed positron beam generator comprising: an acceleration unit for accelerating the positron beam emitted from the energy discriminator and irradiating the sample to be measured;
A first permanent magnet that generates a magnetic field for transporting the positron beam onto the sample to be measured is disposed at a position adjacent to the sample holder in the acceleration unit in the vacuum chamber ;
A first permanent magnet that generates a magnetic field for transporting the positron beam onto the sample to be measured is disposed at a position adjacent to the sample holder in the acceleration unit in the vacuum chamber ;
The energy discriminator includes a first electromagnetic coil provided outside the vacuum chamber and an electrode portion formed of heavy metal as a material inside the vacuum chamber, and the electrode portions are opposed surfaces. The space formed by the opposing surfaces is separated into first and second electrodes having a path formed by the positron source and through which a slowed positron beam passes and travels toward the acceleration section In addition, the electrode unit leaves a space in a portion of the vacuum chamber where the energy discriminator is formed so as to shield a positron beam other than a positron beam having energy that can pass through the passage. A low-velocity positron beam generator, characterized by being formed to fill .
陽電子源で生成されモデレータによって低速化された陽電子ビームのうち所望のエネルギーを有する陽電子ビームを取り出すためのエネルギー弁別器と、
被測定試料を保持する試料保持部と、
前記エネルギー弁別器を出射した陽電子ビームを加速して前記被測定試料に照射するための加速部と、を備える低速陽電子ビーム発生装置において、
前記エネルギー弁別器は、
前記真空チャンバーの外部に設けた第1の電磁コイルと、前記真空チャンバーの内部に重金属を材料として形成された電極部とを備え、前記電極部は、相対向する表面を有する第1および第2の電極に分離され、前記相対向する表面で形成される空間は前記陽電子源で生成されかつ低速化された陽電子ビームが通過し前記加速部へ向かうための通路を形成すると共に、前記電極部は、前記通路を通過可能なエネルギーを有する陽電子ビーム以外の陽電子ビームを遮蔽するように、前記通路を残して前記真空チャンバーの前記エネルギー弁別部が形成される部分の空間を充填するように形成されることを特徴とする、低速陽電子ビーム発生装置。 In the vacuum chamber,
An energy discriminator for extracting a positron beam having a desired energy among positron beams generated by a positron source and slowed by a moderator;
A sample holder for holding the sample to be measured;
In a low-speed positron beam generator comprising: an acceleration unit for accelerating the positron beam emitted from the energy discriminator and irradiating the sample to be measured;
The energy discriminator is
A first electromagnetic coil provided outside the vacuum chamber; and an electrode portion formed of a heavy metal as a material inside the vacuum chamber. The electrode portion includes first and second surfaces having opposing surfaces. is separated into electrodes with a space formed by the phase opposing surfaces form a passageway for the generated with a positron source and slow positron beam is directed to pass through the accelerating portion, the electrode portion , so as to shield the positron beam other than positron beam having an energy capable of passing through the said passage, it is formed a space of the portion where energy discrimination portion is formed of the vacuum chamber, leaving the passageway to Hama charge characterized in that that, the slow positron beam generator.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN105934065A (en) * | 2016-05-18 | 2016-09-07 | 中国科学院高能物理研究所 | Acceleration system for low-energy pulse charged particle beam |
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