JP4867003B2 - Charged particle detection method and charged particle control method using the same - Google Patents
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Description
本発明は、素粒子やイオンを含む荷電粒子の通過、入射などを検出する荷電粒子検出方法とこれを用いる荷電粒子制御方法に関するものである。 The present invention relates to a charged particle detection method for detecting the passage and incidence of charged particles including elementary particles and ions, and a charged particle control method using the same.
基礎物理学から応用工学の分野に至るまで幅広い技術分野において、素粒子やイオンを含む荷電粒子の通過や入射、さらには、その通過位置や軌道、エネルギーを検出する各種の荷電粒子検出方法が求められている。 In a wide range of technical fields from basic physics to applied engineering, charged particle detection methods that detect the passage and incidence of charged particles including elementary particles and ions, as well as their passing position, trajectory, and energy are required. It has been.
例えば、基礎物理学におけるニュートリノ質量の測定問題において、ニュートリノの質量を直接的に測定する手法として示されたトリチウムベータ崩壊における電子の終点エネルギー測定は重要となる他、残存ニュートリノを直接測定するという観点からも、エネルギー測定の分解能を高めることが重要となる。 For example, in the problem of measuring neutrino mass in basic physics, the measurement of the end-point energy of electrons in tritium beta decay, which is shown as a method for directly measuring the neutrino mass, is important, and the viewpoint of directly measuring the residual neutrino Therefore, it is important to increase the resolution of energy measurement.
従来の荷電粒子検出方法としては、荷電粒子が検出器内の媒体に入射したときにその媒体をイオン化させる現象を利用し、そのイオン化の結果生じたイオンや電子の量を電気的に増幅して検出するものが一般的である(特許文献1)。すなわち、従来の荷電粒子検出方法では、荷電粒子が検出器媒体を非弾性的に励起する過程を利用している。このような従来手法によれば、荷電粒子の存在および位置を検出するだけでなく、荷電粒子の移動速度ないし時間やイオン化の結果生じたイオンや電子の量を検出することによって、そのエネルギーを数値化して検出することが可能となっている。
しかしながら、上記従来の荷電粒子検出方法においては、その原理上、エネルギー分解能を、検出器内のイオン化に必要な最低エネルギーである1電子ボルト(eV)程度より改善することは困難であった。 However, in the conventional charged particle detection method, it is difficult to improve the energy resolution from about 1 electron volt (eV) which is the lowest energy required for ionization in the detector.
また、上記従来の荷電粒子検出方法においては、検出器内の媒体をイオン化した後、そのイオン量などを電気的に増幅する過程に時間的な揺らぎが含まれるので、粒子の検出時刻測定における時間分解能にも限界が生じており、例えば、10ps程度が限界程度の時間分解能の限界となっていた。 Further, in the above conventional charged particle detection method, since the process of electrically amplifying the ion amount after ionizing the medium in the detector includes temporal fluctuation, the time for measuring the detection time of the particles There is also a limit on the resolution. For example, about 10 ps is the limit of time resolution that is about the limit.
さらには、上記従来の荷電粒子検出方法では、荷電粒子が媒体をイオン化させるときに、そのイオン化過程によって、必然的に荷電粒子のエネルギーや運動量が変化するので、同一の荷電粒子のエネルギーや運動量を繰り返し測定することはできなかった。 Furthermore, in the conventional charged particle detection method described above, when charged particles ionize the medium, the energy and momentum of the charged particles inevitably change depending on the ionization process. Repeated measurements could not be made.
他方、このようなイオン化過程の利用によって生じる問題を回避する従来技術として、荷電粒子が結晶内に入射するときの電気光学効果を利用することによって、結晶表面を通過するときの荷電粒子のエネルギーを測定する手法が知られている(非特許文献1)。具体的には、ポッケルス効果を有する結晶(LiNbO3)に、電子109個程度の短い電子束を入射し、この電子束が発生する電場によって結晶内に瞬間的に生じる屈折率の変化を、この結晶に走査入射するレーザ光の偏光状態の変化として測定することが開示されている。 On the other hand, as a conventional technique for avoiding the problems caused by the use of such an ionization process, the charged particle energy when passing through the crystal surface is reduced by using the electro-optic effect when the charged particle enters the crystal. A measuring method is known (Non-Patent Document 1). Specifically, a short electron flux of about 10 9 electrons is incident on a crystal having a Pockels effect (LiNbO 3 ), and a change in refractive index instantaneously generated in the crystal by an electric field generated by this electron flux is expressed as follows: It is disclosed that the measurement is performed as a change in the polarization state of laser light incident on the crystal.
ここで、電気光学効果とは、透明な固体や液体に電場を加えたとき、電場に起因する屈折率変化が生じる効果のことを意味しており、屈折率変化が電場の強さに比例するポッケルス効果の他、屈折率変化が電場の強さの2乗に比例するカー効果などが知られている。ポッケルス効果を表す電気光学テンソルは、圧電効果を表す圧電定数テンソルと同じ構造の3階テンソルであるので、圧電性を示す対称性の結晶に限ってポッケルス効果が現れるのに対して、カー効果はすべての対称性の物質で観測される。 Here, the electro-optic effect means an effect in which a refractive index change caused by an electric field occurs when an electric field is applied to a transparent solid or liquid, and the refractive index change is proportional to the strength of the electric field. In addition to the Pockels effect, the Kerr effect in which the change in refractive index is proportional to the square of the electric field strength is known. The electro-optic tensor that expresses the Pockels effect is a third-order tensor having the same structure as the piezoelectric constant tensor that expresses the piezoelectric effect. Therefore, the Pockels effect appears only in symmetric crystals that exhibit piezoelectricity, whereas the Kerr effect is Observed in all symmetrical materials.
非特許文献1では、電子束のエネルギーに影響を与えずに、当該電子束のエネルギーを測定することに成功している。そして、このような電気光学効果を利用した荷電粒子検出方法によれば、イオン化過程のように荷電粒子のエネルギーや運動量をほとんど変化させることがないので、異なる位置の各センサ素子において検出された同一荷電粒子の検出時間差、すなわち、荷電粒子の移動時間(飛行時間=Time of Flight)を測定することによって、荷電粒子の速度ないしエネルギーを精度良く検出することが可能となる。なお、飛行時間測定法では、各センサ素子を荷電粒子が通過する時間を測定するときの時間分解能が、最終的なエネルギー分解能を左右することになる。
In
しかしながら、実際には、結晶内に瞬間的に生じる屈折率の変化をこの結晶に走査入射するレーザ光の偏光状態の変化として測定するにあたっては、S/N(Signal/Noise)比が著しく悪くなることが知られており、例えば、S/N=10−10程度となると考えられている。上記従来の荷電粒子検出方法によっては、例えば、単一の荷電粒子やそのエネルギーを的確に検出することは困難であった。 In practice, however, the S / N (Signal / Noise) ratio is remarkably deteriorated when measuring the change in the refractive index that occurs instantaneously in the crystal as the change in the polarization state of the laser light that is incident on the crystal. For example, it is considered that S / N is about 10 −10 . Depending on the conventional charged particle detection method, it has been difficult to accurately detect, for example, a single charged particle or its energy.
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、荷電粒子のエネルギーや運動量を大きく変化させることなく、高S/N比で荷電粒子を検出することのできる荷電粒子検出方法、これを用いる荷電粒子制御方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to detect charged particles with a high S / N ratio without greatly changing the energy and momentum of the charged particles. It is to provide a detection method and a charged particle control method using the same.
本発明に係る荷電粒子検出方法は、外部を通過する荷電粒子によって生じる電場により結晶の内部に電気光学的に生じる屈折率変化を検出することによって、荷電粒子を検出する荷電粒子検出方法であって、前記結晶の内部に光を照射する光照射段階と、前記光照射段階に照射されて結晶を通過する光を、前記屈折率変化に基づく光学的位相変化が生じている光成分と、前記屈折率変化に基づく光学的位相変化が生じていない光成分とに分離する光成分分離段階と、前記分離段階にて分離された光学的位相変化が生じている光成分を検出することによって、前記荷電粒子を検出する荷電粒子検出段階とを備えることを特徴としている。 A charged particle detection method according to the present invention is a charged particle detection method for detecting charged particles by detecting a refractive index change that occurs electro-optically inside a crystal due to an electric field generated by charged particles passing outside. A light irradiation stage for irradiating light inside the crystal; a light component that is irradiated in the light irradiation stage and passes through the crystal; a light component in which an optical phase change based on the refractive index change occurs; and the refraction An optical component separation stage that separates the optical component that has not undergone an optical phase change based on a rate change; and an optical component that has undergone an optical phase change that has been separated in the separation stage. And a charged particle detection stage for detecting particles.
本明細書における荷電粒子の形態は特に限定されるものではなく、電子やニュートリノなどの素粒子、その原子量や分子量の大小にかかわらず、各種のイオン原子やイオン分子など任意の荷電粒子を意味している。 The form of the charged particle in the present specification is not particularly limited, and means any charged particle such as various ion atoms and ionic molecules regardless of the size of elementary particles such as electrons and neutrinos and their atomic weight and molecular weight. ing.
また、上記の構成における光としては、特定のプロファイルを持ち位相のそろった、すなわち可干渉な光を用いることが好ましい。このような光としては、レーザ光が代表的なものであるが、物質内の屈折率変化に応じてその位相が変化するものであれば、各種の光を利用することができる。 Further, as the light in the above configuration, it is preferable to use light having a specific profile and having the same phase, that is, coherent light. As such light, laser light is typical, but various kinds of light can be used as long as the phase changes according to the change in the refractive index in the substance.
上記の構成によれば、正方晶系結晶の外部を荷電粒子が通過したときのみ、正方晶系結晶の内部に電気光学的に生じる屈折率変化が生じる一方、光照射段階にて正方晶系結晶の内部に照射された光の一部は、この屈折率変化によってその光学的位相が変化する。 According to the above configuration, only when charged particles pass through the outside of the tetragonal crystal, a refractive index change that occurs electro-optically inside the tetragonal crystal occurs, while the tetragonal crystal is generated in the light irradiation stage. The optical phase of a part of the light irradiated on the inside changes due to the change in refractive index.
そして、光成分分離段階にて、正方晶系結晶を通過する光が光学的位相変化が生じている光成分と光学的位相変化が生じていない光成分とに分離され、荷電粒子検出段階にて、光学的位相変化が生じている光成分が検出される。なお、光成分分離段階における上記光成分の分離は完全なものである必要はなく、分離された少なくとも一つの光成分が分離前の光よりも光学的位相変化が生じている割合を高めるような分離であればよい。 Then, in the light component separation stage, the light passing through the tetragonal crystal is separated into a light component having an optical phase change and a light component having no optical phase change, and in the charged particle detection stage. A light component in which an optical phase change occurs is detected. Note that the separation of the light components in the light component separation stage does not have to be complete, and the separated at least one light component has a higher rate of optical phase change than the light before separation. What is necessary is just separation.
上記構成の荷電粒子検出方法によれば、荷電粒子の運動に直接的な影響を与えることなく、正方晶系結晶の内部に生じる屈折率変化を的確にとらえることができるので、非接触ないし非破壊の状態で荷電粒子を検出することが可能になる。したがって、その運動状態を変化させることなく、同一の荷電粒子を繰り返し測定することが可能となる。 According to the charged particle detection method having the above-described configuration, the refractive index change occurring inside the tetragonal crystal can be accurately captured without directly affecting the movement of the charged particle. In this state, charged particles can be detected. Therefore, it is possible to repeatedly measure the same charged particle without changing its motion state.
そして、上記構成の荷電粒子検出方法によれば、正方晶系結晶を通過する光のうち、検出のバックグラウンドノイズとなる光学的位相変化が生じていない光成分を分離して、光学的位相変化が生じている光成分を効果的に検出することができるので、高S/N比で荷電粒子を検出することが可能となる。 According to the charged particle detection method having the above-described configuration, an optical phase change is separated from light passing through the tetragonal crystal by separating a light component that does not cause an optical phase change that becomes a detection background noise. Therefore, the charged particle can be detected with a high S / N ratio.
さらに、上記の構成によれば、上記の作用効果に加えて、正方晶系結晶の内部の電気光学的な変化を検出することに基づいて荷電粒子を検出するので、媒体のイオン化現象に基づいて荷電粒子を検出する従来手法と比較してより高速な荷電粒子の検出を実現することができる。 Furthermore, according to the above-described configuration, in addition to the above-described effects, the charged particles are detected based on detecting the electro-optical change inside the tetragonal crystal, and thus based on the ionization phenomenon of the medium. Compared with the conventional method for detecting charged particles, faster detection of charged particles can be realized.
また、本発明に係る荷電粒子検出方法は、上記の構成において、前記光成分分離段階では、回折機能を有するレンズを用いることによって、前記光照射段階に照射されて結晶を通過する光を、前記光学的位相変化が生じている光成分と、前記光学的位相変化が生じていない光成分とに空間的に分離することが好ましい。 Further, in the charged particle detection method according to the present invention, in the configuration described above, in the light component separation stage, by using a lens having a diffraction function, the light irradiated through the light irradiation stage and passing through the crystal is It is preferable to spatially separate a light component in which an optical phase change has occurred and a light component in which the optical phase change has not occurred.
上記の構成によれば、例えば、長方形回折格子を備えた凸レンズを用いることによって、正方晶系結晶を通過する光が、凸レンズの焦点面において、光学的位相変化が生じている光成分と、光学的位相変化が生じていない光成分とに空間的に分離される。 According to the above configuration, for example, by using a convex lens provided with a rectangular diffraction grating, light passing through a tetragonal crystal can have an optical component in which an optical phase change occurs in the focal plane of the convex lens, and optical Is spatially separated into light components that have not undergone a dynamic phase change.
それゆえ、上記の作用効果に加えて、前記荷電粒子検出段階において、光学的位相変化が生じている光成分が検出することが容易となる。例えば、光学的位相変化が生じている光成分が分離された位置にのみに検出器を備えたり、光学的位相変化が生じていない光成分をマスクなどで遮断して検出しないようにしたりすることが容易となる。 Therefore, in addition to the above-described effects, it is easy to detect a light component in which an optical phase change occurs in the charged particle detection stage. For example, a detector is provided only at a position where an optical component in which an optical phase change has occurred is separated, or an optical component in which an optical phase change has not occurred is blocked by a mask or the like so as not to be detected. Becomes easy.
また、本発明に係る荷電粒子検出方法は、外部を通過する荷電粒子によって生じる電場により結晶の内部に電気光学的に生じる屈折率変化を検出することによって、荷電粒子を検出する荷電粒子検出方法であって、前記結晶は、異なる位置に配置された複数の正方晶系結晶であり、前記複数の結晶の内部に光を照射する光照射段階と、前記光照射段階に照射されて各結晶を通過する光を、前記屈折率変化に基づく光学的位相変化が生じている光成分と、前記屈折率変化に基づく光学的位相変化が生じていない光成分とに分離する光成分分離段階と、前記分離段階にて分離された各結晶の屈折率変化に基づく光学的位相変化が生じている光成分を検出することによって、各結晶における前記荷電粒子が通過するときの時間情報を特定し、これら時間情報に基づいて、前記荷電粒子の速度、運動量、エネルギー、スピン情報の少なくとも一つを検出する荷電粒子検出段階とを備えることを特徴としている。 The charged particle detection method according to the present invention is a charged particle detection method for detecting charged particles by detecting a refractive index change that occurs electro-optically inside a crystal due to an electric field generated by charged particles passing outside. The crystals are a plurality of tetragonal crystals arranged at different positions, a light irradiation stage for irradiating light inside the plurality of crystals, and a light irradiation stage that is irradiated to the light irradiation stage and passes through each crystal. Separating a light component into a light component in which an optical phase change based on the refractive index change is generated and a light component in which an optical phase change based on the refractive index change is not generated, and the separation By detecting the light component in which the optical phase change based on the refractive index change of each crystal separated in stages is detected, the time information when the charged particles pass through each crystal is specified, and these Based on the information during the velocity of the charged particles, momentum, energy, and characterized by comprising a charged particle detection step of detecting at least one of spin information.
上記の構成における荷電粒子や光の形態、光成分の分離の意義については、前述と同様である。 The charged particles and the form of light and the significance of the separation of light components in the above configuration are the same as described above.
上記の構成によれば、各正方晶系結晶の外部を荷電粒子が通過したときのみ、各正方晶系結晶の内部に電気光学的に生じる屈折率変化が生じる一方、光照射段階にて各正方晶系結晶の内部に照射された光の一部は、この屈折率変化によってその光学的位相が変化する。 According to the above configuration, only when charged particles pass outside each tetragonal crystal, a refractive index change that occurs electro-optically inside each tetragonal crystal occurs, while each square in the light irradiation stage. The optical phase of a part of the light irradiated to the inside of the crystal system crystal changes due to this refractive index change.
そして、光成分分離段階にて、各正方晶系結晶を通過する光が光学的位相変化が生じている光成分と光学的位相変化が生じていない光成分とに分離され、荷電粒子検出段階にて、光学的位相変化が生じている光成分が検出され、荷電粒子検出段階にて、分離された光学的位相変化が生じている光成分を検出することによって、各正方晶系結晶における前記荷電粒子が通過するときの時間情報が特定される。さらに、これら時間情報に基づいて、前記荷電粒子の速度、運動量、エネルギーの少なくとも一つが検出される。 Then, in the light component separation stage, the light passing through each tetragonal crystal is separated into a light component that has undergone optical phase change and a light component that has not undergone optical phase change. Then, the light component in which the optical phase change has occurred is detected, and the charged component in each tetragonal crystal is detected by detecting the separated light component in which the optical phase change has occurred in the charged particle detection stage. Time information when the particle passes is specified. Furthermore, at least one of the speed, momentum, and energy of the charged particles is detected based on the time information.
上記構成の荷電粒子検出方法によれば、上記の作用効果に加えて、荷電粒子の運動に直接的な影響を与えることなく、荷電粒子が複数箇所を通過するときの時間情報に基づいて、荷電粒子の速度、運動量、エネルギーを検出することができるので、これら検出値を、誤差の少ない高精度のものとすることができる。 According to the charged particle detection method having the above configuration, in addition to the above-described effects, the charged particle can be charged based on time information when the charged particle passes through a plurality of locations without directly affecting the movement of the charged particle. Since the velocity, momentum, and energy of the particles can be detected, these detection values can be made highly accurate with few errors.
また、本発明に係る荷電粒子検出方法は、上記の構成において、前記結晶は、正方晶系結晶であることが好ましい。さらに、前記正方晶系結晶は、点群4−bar2mに属する一軸性結晶であることが好ましい。 In the charged particle detection method according to the present invention, in the above configuration, the crystal is preferably a tetragonal crystal. Further, the tetragonal crystal is preferably a uniaxial crystal belonging to the point group 4-bar2m.
4−bar2mに属する一軸性の正方晶系結晶の例としては、KHP(KH2PO4)、DKDP(KD2PO4)、EKDPなどが挙げられる。 Examples of uniaxial tetragonal crystals belonging to 4-bar2m include KHP (KH 2 PO 4 ), DKDP (KD 2 PO 4 ), EKDP, and the like.
4−bar2mに属する一軸性結晶を採用する第1の利点は、外場がない状態では全く偏光を回転させないx−y面をもつ一方、このx−y面に垂直に作用する外場に対しては屈折率楕円体が45度回る面を有するので、直線偏光子を通した後、位相変化のない部分からの漏れ光を最小にしつつ、位相変化部分のみから漏れてくる光量を大きく取り出せることである。 The first advantage of adopting a uniaxial crystal belonging to 4-bar2m is that it has an xy plane that does not rotate the polarization at all in the absence of an external field, whereas the external field acting perpendicularly to this xy plane. Since the refractive index ellipsoid has a surface that turns 45 degrees, the amount of light leaking from only the phase change portion can be extracted greatly while passing through the linear polarizer and minimizing the leak light from the portion without the phase change. It is.
4−bar2mに属する一軸性結晶を採用する第2の利点は、常温に近い構造相転移温度において、電気光学係数が3桁程度向上する結晶が知られており、このような結晶を採用することによって、検出の感度を向上させることができることである。 The second advantage of adopting a uniaxial crystal belonging to 4-bar2m is that a crystal whose electro-optic coefficient is improved by about three orders of magnitude at a structural phase transition temperature close to room temperature is known, and such a crystal is adopted. Thus, the detection sensitivity can be improved.
本発明に係る荷電粒子制御方法は、前記の荷電粒子検出方法を用いて前記荷電粒子の運動状態を制御する荷電粒子制御方法であって、前記荷電粒子検出段階にて検出した荷電粒子の速度、運動量、エネルギー、スピン情報の少なくとも一つに基づいて、前記荷電粒子の運動状態の制御量を決定することを特徴としている。 The charged particle control method according to the present invention is a charged particle control method for controlling a movement state of the charged particle using the charged particle detection method, wherein the velocity of the charged particle detected in the charged particle detection step, The control amount of the motion state of the charged particle is determined based on at least one of momentum, energy, and spin information.
上記の構成において、前記荷電粒子の運動状態の制御量を決定するとは、荷電粒子検出方法の検出対象となった荷電粒子そのものの運動状態の制御量を決定することだけではなく、複数の荷電粒子を生成する場合(例えば、荷電粒子ビームの生成)において、そのうちの一つの荷電粒子の速度、運動量、エネルギーの検出結果に基づいて、その他の荷電粒子の運動状態、例えばエネルギーなどの制御量(外部から付与するビームエネルギーの増減値など)を決定することを含むものとする。 In the above configuration, determining the control amount of the motion state of the charged particle not only determines the control amount of the motion state of the charged particle itself to be detected by the charged particle detection method, but also a plurality of charged particles. (For example, generation of a charged particle beam), based on the detection result of the velocity, momentum, and energy of one of the charged particles, the control state (external) And so on).
上記の構成によれば、前記の荷電粒子検出方法を利用した高精度の検出結果に基づいて、前記荷電粒子の運動状態を制御することができるので、荷電粒子の速度、運動量、エネルギーなどの運動状態を高精度で制御することが可能となる。 According to said structure, since the movement state of the said charged particle can be controlled based on the highly accurate detection result using the said charged particle detection method, movement, such as the speed of a charged particle, momentum, energy, etc. It becomes possible to control the state with high accuracy.
本発明に係る荷電粒子検出方法によれば、非接触ないし非破壊の状態を保ちながら、高S/N比にて荷電粒子を検出することができる。 According to the charged particle detection method of the present invention, charged particles can be detected with a high S / N ratio while maintaining a non-contact or non-destructive state.
また、本発明に係る荷電粒子制御方法によれば、荷電粒子の速度、運動量、エネルギーの高精度の検出結果に基づいて、荷電粒子の運動状態を高精度で制御することが可能となる。 Further, according to the charged particle control method of the present invention, it is possible to control the movement state of the charged particle with high accuracy based on the detection result of the velocity, momentum, and energy of the charged particle with high accuracy.
〔実施の形態1〕
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
[Embodiment 1]
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態にかかる荷電粒子検出システム1の概略構成を示す概念図である。同図に示すとおり、荷電粒子検出システム1は、前段プリズム11、正方晶系結晶12、後段プリズム13、凸レンズ14、レンズ焦点面15、光ファイバー束16、マスク17、受光素子18を備えている。
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a schematic configuration of a charged
前段プリズム11と後段プリズム13は、前段プリズム11の偏光方向がy軸方向、後段プリズム13の偏光方向がx軸方向となるよう、両者の偏光方向をほぼ直交させるように配置する。ここでは、両者の偏光方向がなす角度を89度程度に設定し、前段プリズム11および後段プリズム13の消光比が零とならないようにしておく。
The
正方晶系結晶12は、電場センサとしての機能を果たすものであって、電気光学効果を有する一軸性結晶のうち点群4−bar2mの正方晶系結晶、例えば、KHP(KH2PO4)、DKDP(KD2PO4)、EKDPなどからなっている。
The
正方晶系結晶12は、x−y面内に均質な屈折率をもつように、点群4−bar2mの正方晶系結晶を配置するものとする。正方晶系結晶12は、後述する光学的位相の変化が大きくなるように、構造相転移点近傍の温度まで冷却して、その電気光学係数を増大させた状態で用いることが好ましい。ここでは、最良の結晶の候補として、DKDP(KD2PO4)を採用する。DKDP結晶は、構造的な相転移点である−64℃よりすぐ上の温度で、電気光学テンソルが例外的に高く扱いやすいからである。DKDP結晶は、市販品として広く入手可能であって、安価に、大寸法の結晶を入手することができる。
受光素子18としては、フォトダイオード、光電子増倍管、CCDなど、その感度や特性に応じて任意の受光デバイスを採用することができる。
The
As the
図1における荷電粒子検出システム1の荷電粒子検出動作の流れについては、以下のようになる。
The flow of the charged particle detection operation of the charged
まず、図1において、断面の光強度が標準分布からなるレーザ光10を、x−y平面内で走査しながらz軸方向に沿って前段プリズム11に入射する。レーザ光10の波長は、正方晶系結晶12として選択した正方晶系結晶における電気光学係数の波長依存性に応じて設定することが好ましい。例えば、正方晶系結晶12としてDKDPを採用する場合には、レーザ光10の波長は546nm程度とすることが好ましい。
First, in FIG. 1, a
レーザ光10は、前段プリズム11を通過することによって、レーザ光10はy軸方向に直線偏光となる。y軸方向に直線偏光となったレーザ光10が、正方晶系結晶12に入射される。前述のとおり、正方晶系結晶12は、x−y面内に均質な屈折率をもつように配置しているので、荷電粒子が正方晶系結晶12に入射していない状態においては、正方晶系結晶12から出射するレーザ光10の偏光状態は、レーザ光10の走査位置にかかわらず一様となる。
When the
他方、正方晶系結晶12の近傍を荷電粒子が任意の方向から入射すると、その荷電粒子の運動によって生じる結晶内の電場に起因して電気光学効果が生じる。この結果、正方晶系結晶12における常光線の屈折率と異常光線の屈折率からなる2つの主屈折率は部分的に変化して、正方晶系結晶12のx−y面内における屈折率は均一でなくなる。例えば、図2に示すように、x軸に沿って動く荷電粒子によって生じる電場が、正方晶系結晶12のz軸方向にかかると、正方晶系結晶12におけるx軸方向とy軸方向との間に屈折率の差が生じ、さらにz軸の周りに45度回転した屈折率楕円体が埋め込まれた状態となる。
On the other hand, when charged particles enter the vicinity of the
このような屈折率変化が生じている正方晶系結晶12において、通過する荷電粒子の近傍に入射されたレーザ光10は、光学的位相差の発生によってその偏光方向が回転する一方、荷電粒子から離れた位置に入射されたレーザ光10は、荷電粒子が発生する電場の影響を受けないので光学的位相差が生じず、その偏光方向は回転しない。なお、荷電粒子の通過によってどの程度の位相差が変化するかについては、本明細書の末尾に説明を記しておく。
In the
そうすると、正方晶系結晶12から出射したレーザ光10のうち、後段プリズム13を通過するのは、正方晶系結晶12にて荷電粒子の近傍を通過してその偏光方向が回転されたレーザ光10である。
Then, among the
すなわち、正方晶系結晶12における荷電粒子の通過位置近傍から出射するレーザ光10は、偏光方向が回転された光成分と、その周囲の偏光方向が回転していない漏れ光成分とは、後段プリズム13によってほぼ分離される。このように、ほぼ直交する偏光子(前段プリズム11)および検光子(後段プリズム13)によって異なる偏光成分を分離する機構ないし原理は、TN方式などの液晶パネルと同様である。
That is, the
実際には、後段プリズムからは、荷電粒子の軌跡近傍以外からのわずかとは言えない漏れ光が存在する。すなわち、前段プリズム11および後段プリズム13の消光比は零ではないから、正方晶系結晶12にて荷電粒子から離れた位置を通過してその偏光方向が変化していないレーザ光10も僅かながら「漏れ光」として後段プリズム13を通過することになる。
Actually, there is a slight amount of leaked light from other than the vicinity of the locus of the charged particles from the rear stage prism. That is, since the extinction ratio of the front-
荷電粒子検出システム1は、この漏れ光を積極的に利用し、凸レンズ14によって、偏光方向が回転された光成分と偏光方向が回転していない漏れ光成分とを干渉させることによって、これら光成分を空間的に分離するものである。具体的には、荷電粒子検出システム1は、荷電粒子の軌跡近傍以外の漏れ光を分離するために、後段プリズム13の通過光を、図3(a)に示すような長方形状のスリットを透過した光を凸レンズ14で回折させ、その焦点面におけるフーリエ変換機能を利用する。ここで、長方形状のスリットとは、結晶中において電場の影響が残る部分、すなわち位相変化部分の形が、結晶中で近似として長方形で表されるという意味である。その焦点面におけるフーリエ変換機能を利用する。
The charged
図3(b)は、図3(a)に示すような長方形状の位相変化を含む透過光を凸レンズ14によって回折させた後、レンズ焦点面15に結ばれる像(光の強度分布)の様子をシミュレーションしたものである。すなわち、図3(a)(b)は、定性的に長方形開口のフーリエ変換像の特徴を解析的に示している。
FIG. 3B shows an image (light intensity distribution) formed on the lens
凸レンズ14は、入力された光の振幅を所定の焦点距離だけ離れたレンズ焦点面15に伝達する。凸レンズ14の口径は、回折パターン全体の大きさと比較して、十分に大きいものとすることが好ましい。なぜなら、レンズの辺縁自体が開口になっては不都合なので、レーザの径を、レンズ径に比べて十分に小さくすることが好ましいからである。
The
後段プリズム13の通過光のうち、正方晶系結晶12にて荷電粒子の近傍を通過してその偏光方向が回転されたレーザ光10は球面波となっており、図3(a)の長方形状の位相変化部分を透過した光が凸レンズ14で回折するとき、その像はスリット幅に反比例するように光軸中心から離れていくことになる。それゆえ、図3(b)において、レンズ焦点面15において、正方晶系結晶12にて荷電粒子の近傍を通過しその偏光方向が回転されたレーザ光10は、図3(a)の長方形開口スリットを90度回転したような領域に結像している。
Of the light passing through the
これに対して、後段プリズム13の通過光のうち、正方晶系結晶12にて荷電粒子の近傍以外を通過しその偏光方向が回転していないレーザ光10は一様な平面波となっており、図3(a)の長方形開口スリットを備えた凸レンズ14を通過すると、レンズ焦点面15にて光軸中心に収束し、その収束幅は焦点距離に比例するものとなる。それゆえ、図3(b)において、レンズ焦点面15において、正方晶系結晶12にて荷電粒子の近傍以外を通過しその偏光方向が回転していないレーザ光10(漏れ光)は、図3(a)の中心付近に局在化して像を結ぶことになる。
On the other hand, the
したがって、レンズ焦点面15において、光軸中心に収束する部分以外の領域に所定レベル以上の強さの結像光が得られた場合を判定することによって、正方晶系結晶12に荷電粒子が入射したことを効果的に検出することが可能となる。
Therefore, charged particles are incident on the
そこで、図1において、凸レンズ14の通過光を、レンズ焦点面15に備えた光ファイバー束16およびこれに結ばれた受光素子18にて検出されるが、これら光ファイバー束16と受光素子18との間に、レンズ焦点面15における凸レンズ14の光軸中心付近を遮る形状のマスク17を設けている。
Therefore, in FIG. 1, the light passing through the
なお、凸レンズ14の焦点距離と光ファイバー束16を構成する光ファイバーの直径を適宜設計することによって、光軸中心に収束する遮断すべき光を、光ファイバー束16を構成する一本の光ファイバー内に閉じ込めた上で、この一本の光ファイバーの出力端に設けた金属製のマスク17によって遮断する構成としてもよいし、ファイバーがフレキシブルなものであれば、その高強度光を含むファイバー部分のみを別の空間に逃してもよい。
In addition, by appropriately designing the focal length of the
これにより、凸レンズ14を通過して、光ファイバー束16に入射する光のうち、レンズ焦点面15の光軸中心付近の光、すなわち正方晶系結晶12における荷電粒子軌跡の近傍以外を通過した平面波としてのレーザ光10を遮る一方、レンズ焦点面15の光軸から離れたスリット形状の光、すなわち正方晶系結晶12における荷電粒子軌跡の近傍を通過した球面波としてのレーザ光のみを受光素子18に受光させることができる。
As a result, of the light that passes through the
図4は、レンズ焦点面15に結ばれる像(光の強度分布)の様子をシミュレーションしたものである。図4(A)に示す正方晶系結晶12における荷電粒子軌跡の近傍以外を通過した平面波としてのレーザ光10(漏れ光)と正方晶系結晶12における荷電粒子軌跡の近傍を通過した球面波としてのレーザ光(電子線)との 両者の強度分布から、図4(B)に示す正方晶系結晶12における荷電粒子軌跡の近傍以外を通過した平面波としてのレーザ光10(漏れ光)の強度分布をバックグラウンドノイズとして引くと、図4(C)に示すように荷電粒子軌跡の近傍を通過した球面波としてのレーザ光を効果的に抽出することができる。図4(D)は、光軸中心付近を遮るマスク17によって、S/Nが高い領域のみのシグナルを取り出せる様子を示している。
FIG. 4 shows a simulation of an image (light intensity distribution) formed on the lens
このような構成により、光軸中心に収束する部分以外の領域に所定レベル以上の強さの結像光が得られた場合を判定することによって、正方晶系結晶12の近傍を荷電粒子が通過したことを効果的に検出することが可能となる。
With such a configuration, the charged particles pass through the vicinity of the
すなわち、荷電粒子検出システム1によれば、正方晶系結晶12を通過するレーザ光10のうち、荷電粒子の軌跡とは無関係であって検出のバックグラウンドノイズとなる光を遮りながら、荷電粒子の軌跡に起因する光を効果的に検出することができるので、高S/N比にて、正方晶系結晶12の近傍を通過した荷電粒子を検出できる。荷電粒子検出システム1によれば、既存の要素技術を利用することによって、単一の荷電粒子を高精度で検出することも困難ではない。
In other words, according to the charged
また、荷電粒子検出システム1は、光ファイバー束16における各光ファイバーからの光の強度分布を2次元的に解析することによって、正方晶系結晶12における荷電粒子軌跡のx−y平面への射影を特定することができる。なぜなら、荷電粒子は、正方晶系結晶12の表面近傍を通過する際、ほとんど軌道を曲げず直進するので、その軌跡はx−y面内で直線を描くと考えられるが、その軌跡に対して直交する方向に、レンズ焦点面15における前述の干渉パターンが生じるからである。
Further, the charged
さらに、荷電粒子検出システム1は、荷電粒子の検出時刻を記録する構成を備えており、連続的に荷電粒子の存在とその検出時刻を記録することができる。
Furthermore, the charged
そして、荷電粒子検出システム1は、シュテルンゲルラッハタイプのスピン測定にも利用できる。例えば、電子が物質中で非弾性散乱をしてしまうと、入射電子のスピン情報を測定するには、通常、高エネルギー電子の散乱断面積のスピン依存性を観測するしかない。
The charged
しかし、仮に電子のスピンと運動量方向を直交させて不均一磁場中を通過させると、荷電粒子軌道がスピンの向きによって空間的に離散化してずれるので、そのずれ量から、スピンの同定が可能になる。このタイプのスピン測定の特徴は、スピン同定率がほぼ100%になることである。すなわち、荷電粒子検出システム1を利用すれば、非破壊測定であるが故に、単一電子の速度を観測しつつ、上記のスピン測定を接続することが可能になり、単一電子の速度とスピンとを同時測定することができる。このスピン測定手法は、速度が非常に遅い電子に対しても有効である。
However, if the electron spin and the momentum direction are orthogonal to each other and passed through a non-uniform magnetic field, the charged particle orbits will be spatially discretized and shifted depending on the direction of the spin. Become. A feature of this type of spin measurement is that the spin identification rate is almost 100%. That is, if the charged
本実施形態における最後の説明として、参考のために、本実施形態の荷電粒子検出システム1における典型的な設計パラメータ例を示しておく。
As a final description in the present embodiment, an example of typical design parameters in the charged
a,レーザ光10の断面における光強度分布の標準偏差:σ=500[μm]
b,レーザ光10の全強度:I0 2=1[mW]程度(1016個程度の光子数に対応)
c,レーザ光10のピーク強度:A0 2=I0/(2πσ2)
d,レーザ光10の1秒当たりのパルス継続時間:τd=1.0(例えばCWレーザ)
e,レーザ光10の波長:λ=0.532[μm]
f,凸レンズ14の焦点距離:f=5[mm]
g,前段プリズム11と後段プリズム13との消光比:ε2=10−6
h,正方晶系結晶12の表面と通過電子(荷電粒子)との距離:R=400λ
i,電子(荷電粒子)の運動エネルギー:Ek=10[eV]
j,相対論的な電子の速度(光速との比):β=0.00625
k,−64℃における正方晶系結晶12(DKDP)の電子光学テンソル:r63=2.4×104[pm/V]
l,電子(荷電粒子)の通過によって生じる正方晶系結晶12におけるレーザ光10の位相遅延:δΓ=5.97×10−4
m,電子(荷電粒子)の通過による電場作用時間(衝撃時間):τi=113[ps]
n,入射以前の凸レンズ14において、電子の速度により実効的に期待される結晶中の位相変化部分を長方形に近似した場合のスリットの寸法:2μ×2ν=2×106[μm]×2×163[μm]。
a, Standard deviation of light intensity distribution in cross section of laser beam 10: σ = 500 [μm]
b, the total intensity of the laser beam 10: about I 0 2 = 1 [mW] (corresponding to about 10 16 photons)
c, Peak intensity of the laser beam 10: A 0 2 = I 0 / (2πσ 2 )
d, pulse duration of
e, wavelength of the laser beam 10: λ = 0.532 [μm]
f, Focal length of convex lens 14: f = 5 [mm]
g, Extinction ratio of the
h, distance between the surface of the
i, kinetic energy of electrons (charged particles): E k = 10 [eV]
j, relativistic electron velocity (ratio to the speed of light): β = 0.625
Electron optical tensor of tetragonal crystal 12 (DKDP) at k, −64 ° C .: r 63 = 2.4 × 10 4 [pm / V]
l, phase delay of the
m, electric field action time (impact time) due to passage of electrons (charged particles): τ i = 113 [ps]
n, slit size in the case where the phase change portion in the crystal which is effectively expected by the velocity of electrons in the
〔実施の形態2〕
次に、実施形態1の荷電粒子検出システム1を、アレイ状に多数配設することによって、荷電粒子の速度ないしエネルギーを高精度に検出するシステム構築例を提案する。図5は、その概念図を示している。
[Embodiment 2]
Next, a system construction example is proposed in which a large number of charged
図5は、トリチウムなどの核種のベータ崩壊における電子の終点エネルギーを測定するためのシステム構成例である。ベータ崩壊核種から放出された電子は、ソレノイド磁場に拘束されながら、図中右方向に軌道を描く。レーザ光10として連続レーザ光を用いる最初の荷電粒子検出システム1によって、電子が検出されると、この荷電粒子検出システム1から短パルス発生用のトリガー信号が生成される。そして、この短パルス発生用トリガー信号に基づいて、単一短パルスレーザが空間的に多重分岐され、光学的距離により各々異なった時間差をつけられた状態で、検出器要素アレイとして多数配列された荷電粒子検出システム1群に入射される。なお、多重分岐するパルスレーザの時間差は、あらかじめ想定される概算の電子速度に基づいて設定しておく。
FIG. 5 is a system configuration example for measuring the end point energy of electrons in beta decay of nuclides such as tritium. The electrons emitted from the beta decay nuclide draw an orbit in the right direction in the figure while being restrained by the solenoid magnetic field. When electrons are detected by the first charged
このような構成によれば、電子の位置や軌跡を検出することが可能となるうえ、各荷電粒子検出システム1間の距離と各荷電粒子検出システム1における電子の検出時刻とに基づいて、電子の移動時間(飛行時間=Time of Flight)を測定し、この荷電粒子の速度ないしエネルギーを精度良く検出することが可能となる。前述のとおり、荷電粒子検出システム1によれば、荷電粒子の運動に影響を与えることなく、その通過時刻や位置に関する情報を取得できるので、荷電粒子の同一物理量を精度よく繰り返し測定することが可能となっているからである。
According to such a configuration, it becomes possible to detect the position and trajectory of electrons, and based on the distance between the charged
なお、図5の構成例における電子(荷電粒子)の速度測定の時間分解能は、受光素子18(図1参照)の時間分解能ではなく、走査入射されるパルスレーザの時間幅と正方晶系結晶12(図1参照)の電場応答時間によって定まる。なぜなら、各荷電粒子検出システム1は、パルスレーザが入射されており、かつ、入射した電子(荷電粒子)が電場の影響が保持されているときにのみ、電子(荷電粒子)の検出シグナルを得るからである。したがって、パルスレーザのパルス幅を短くしたり、正方晶系結晶12の電場応答時間(立ち上がり時間や緩和時間)を短くしたりすることによって、電子(荷電粒子)の速度測定の時間分解能を向上させることができる。既存の要素技術を利用することによって、時間分解能をフェムト秒のオーダで得ることも困難ではない。例えば、ほぼ光速で飛ぶ荷電粒子に対して、30mm程度のレーザ径で観測した場合、その限界時間分解能として、少なくとも100fs程度が得られると考えられる。
Note that the time resolution of the velocity measurement of electrons (charged particles) in the configuration example of FIG. 5 is not the time resolution of the light receiving element 18 (see FIG. 1), but the time width of the pulsed laser beam that is scanned and the
本実施形態における最後の説明として、参考のために、本実施形態のシステム構築例における典型的な設計パラメータ例を示しておく。 As a final description in the present embodiment, a typical design parameter example in the system construction example of the present embodiment is shown for reference.
a,パルスレーザの断面における光強度分布の標準偏差:σ=100[μm]
b,パルスレーザの全強度:I0 2=1[mW]程度(1016個程度の光子数に対応)
c,パルスレーザのピーク強度:A0 2=I0/(2πσ2)
d,パルスレーザの1秒当たりのパルス継続時間:τd=10−8(10ns)
e,パルスレーザのレーザ波長:λ=0.532[μm]
f,凸レンズ14の焦点距離:f=5[mm]
g,前段プリズム11と後段プリズム13との消光比:ε2=10−6
h,正方晶系結晶12の表面と通過電子(荷電粒子)との距離:R=10λ
i,電子の運動エネルギー:Ek=10[eV]
j,相対論的な電子の速度(光速との比):β=0.00625
k,−64℃における正方晶系結晶12(DKDP)の電子光学テンソル:r63=2.4×104[pm/V]
l,電子の通過によって生じる正方晶系結晶12におけるパルスレーザの位相遅延:δΓ=0.0239×10−4
m,電子(荷電粒子)の通過による電場作用時間(衝撃時間):τi=2.8[ps]
n,入射以前の凸レンズ14において、電子の速度により実効的に期待される結晶中の位相変化部分を長方形に近似した場合のスリットの寸法:2μ×2ν=2×2.7[μm]×2×4.1[μm]
〔本発明の適用例〕
以下、本発明の荷電粒子検出方法および荷電粒子制御方法の適用ないし応用例を示しておく。
a, Standard deviation of light intensity distribution in cross section of pulse laser: σ = 100 [μm]
b, Total intensity of pulse laser: I 0 2 = 1 [mW] or so (corresponding to about 10 16 photons)
c, Peak intensity of pulse laser: A 0 2 = I 0 / (2πσ 2 )
d, pulse duration per second of pulsed laser: τ d = 10 −8 (10 ns)
e, Laser wavelength of pulse laser: λ = 0.532 [μm]
f, Focal length of convex lens 14: f = 5 [mm]
g, Extinction ratio of the
h, distance between the surface of the
i, kinetic energy of electrons: E k = 10 [eV]
j, relativistic electron velocity (ratio to the speed of light): β = 0.625
Electron optical tensor of tetragonal crystal 12 (DKDP) at k, −64 ° C .: r 63 = 2.4 × 10 4 [pm / V]
l, the phase delay of the pulse laser in the
m, electric field action time (impact time) due to passage of electrons (charged particles): τ i = 2.8 [ps]
n, slit size in the case where the phase change portion in the crystal which is effectively expected by the velocity of electrons in the
[Application example of the present invention]
Hereinafter, application or application examples of the charged particle detection method and charged particle control method of the present invention will be described.
図6は、薄膜照射によるイオン発生と同時に、荷電粒子検出システム1によってそのイオンビームのエネルギーをeV未満のエネルギー分解能で検出ないし制御することによって、高精度にエネルギー制御されたイオンビームをDNA上の特定分子鎖に照射、切断するイオンビーム照射装置の概念図を示している。このような構成を採用すれば、DNAの研究、例えば、DNAの修復機能を研究するために特定の分子鎖のみを切断したい場合に、イオンビームのサイズに加えて、そのエネルギー状態を量子エネルギーレベルで精密に指定することが可能になると考えられる。
FIG. 6 shows that the ion beam with high accuracy is controlled on the DNA by detecting or controlling the energy of the ion beam with energy resolution of less than eV by the charged
もちろん、図6のイオンビーム照射装置がイオンビームを照射する対象は、DNAに限られるものではない。このようなイオンビーム照射装置は、例えば、半導体デバイスの製造におけるイオンドープ装置として利用することも可能である。本発明の荷電粒子検出方法を用いたイオンドープ装置によれば、照射イオンのエネルギーやその侵入深さを高精度で制御することによって、半導体基板内に3次元構造からなるデバイスを形成することも可能になると考えられる。 Of course, the target to which the ion beam irradiation apparatus of FIG. 6 irradiates the ion beam is not limited to DNA. Such an ion beam irradiation apparatus can be used, for example, as an ion doping apparatus in the manufacture of semiconductor devices. According to the ion doping apparatus using the charged particle detection method of the present invention, a device having a three-dimensional structure can be formed in a semiconductor substrate by controlling the energy of the irradiated ions and the penetration depth thereof with high accuracy. It will be possible.
図7は、実施形態2の応用例を示すものであって、荷電粒子検出システム1の受光素子アレイを利用して、たんぱく質イオンビームのエネルギーを高精度にて測定する、たんぱく質の非破壊的質量分析を実現する質量分析システムの構成例である。この質量分析システムでは、超短パルスレーザにより、たんぱく質を脱離ないしイオン化させた後、その軌跡に基づいて、非破壊的に、たんぱく質イオンビームの運動量と速度を求め、その質量を測定することができる。質量分析システムによれば、質量分析後のたんぱく質を無傷で取り出せるため、質量分析後のたんぱく質をその後の種々の測定に利用することが可能となる。プロテオミクス分野では、たんぱく質同定のために、その質量を高精度にて特定することが重要となっているので、このような質量分析システムの採用は極めて有益であると考えられる。
FIG. 7 shows an application example of the second embodiment. The nondestructive mass of a protein that measures the energy of a protein ion beam with high accuracy using the light receiving element array of the charged
近年、荷電粒子の利用とその検出は、医療(例えば、イオンビームによる癌治療)、物理学(例えば、宇宙・素粒子物理学)、生命科学(DNAの分析、ポストゲノム計画、プロテオミクスないし機能単位としてのたんぱく質群の解析)、半導体の製造(イオンドーピング)等、多岐の分野にわたって重要となっており、本発明の荷電粒子検出方法は、これらの技術分野に広く適用できるものとなっている。 In recent years, the use and detection of charged particles has been applied to medical treatment (eg, ion therapy for cancer), physics (eg, space / particle physics), life science (DNA analysis, post-genome planning, proteomics or functional units) Analysis of protein groups), semiconductor production (ion doping), and the like, and the charged particle detection method of the present invention can be widely applied to these technical fields.
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
〔位相差変化の理論的説明〕
最後に、荷電粒子が発生する電場による正方晶系結晶に電気光学効果、すなわち走査光の位相差変化は、本発明の荷電粒子検出方法において本質的な役割を担っているので、その内容を理論的内容を説明しておく。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope shown in the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention.
[Theoretical explanation of phase difference change]
Finally, the electro-optic effect in the tetragonal crystal due to the electric field generated by the charged particles, that is, the phase difference change of the scanning light, plays an essential role in the charged particle detection method of the present invention. Explain the contents.
点群4−bar2mの一軸性結晶を用いた場合の荷電粒子の外部電場により生じる走査光の光軸(Z軸方向とする)に垂直な面内で直交する電場の2成分x−y成分間の位相差の変化δΓは次のようになる。 Between two components xy components of an electric field orthogonal to the optical axis of scanning light (referred to as the Z-axis direction) generated by an external electric field of charged particles when a point group 4-bar2m uniaxial crystal is used The change δΓ in the phase difference is as follows.
外部電場により生じるx−y成分間の屈折率差をδn、屈折率変化が生じている光軸方向の長さをδl、走査光の波長をλとすると、位相差の変化はδΓ=(2π/λ)δnδlと表される。 If the refractive index difference between the xy components generated by the external electric field is δn, the length in the optical axis direction where the refractive index change is generated is δl, and the wavelength of the scanning light is λ, the change in the phase difference is δΓ = (2π / Λ) δnδl.
単一電荷eの荷電粒子が、相対論的な速度β=ν/C(Cは光速)およびローレンツ因子γ=1/(1−β2)0.5で走っているときに、その軌道と垂直な面内における軌道からの距離Rの位置につくる電場をEr(R)とすると、結晶の光軸方向の屈折率をnを用いて、Er(R)=γe〔4πε0(n)0.5R2〕と表される。 When a charged particle of a single charge e is running at a relativistic velocity β = ν / C (C is the speed of light) and Lorentz factor γ = 1 / (1-β 2 ) 0.5 , Assuming that the electric field generated at a distance R from the orbit in the vertical plane is E r (R), the refractive index in the optical axis direction of the crystal is n, and E r (R) = γe [4πε 0 (n ) 0.5 R 2 ].
荷電粒子が結晶表面を通過する際に、この電場強度で影響を及ぼしうる実効時間δtはR/(γβc)となる。この実効時間の間に、走査光が結晶中を伝播する範囲δlにおいて屈折率変化が生じるので、δl=c(δt)/n=R/(nγβ)と表せる。点群4−bar2mの屈折率楕円体は、外部電場がかかっていない状態では、(x2/no 2)+(y2/no 2)+(z2/ne 2)=1と表される。ここで、noは常光軸の屈折率、neは異常光軸の屈折率である。
When charged particles pass through the crystal surface, the effective time δt that can be affected by the electric field strength is R / (γβc). During this effective time, the refractive index changes in the range δl in which the scanning light propagates through the crystal, and can be expressed as δl = c (δt) / n = R / (nγβ). Refractive index ellipsoid of the points 4-bar2m is in a state where not applied external electric field, and (x 2 / n o 2) + (
この結晶に外部電場(Ex,Ey,Ez)が作用すると、屈折率楕円体は、(x2/no 2)+(y2/no 2)+(z2/ne 2)+2r41Exyz+2r41Eyxz+2r63Ezxy=1のように変化する。ここで、r41およびr63は、電場の大きさを屈折率変化に変換する際の変換係数に相当し、電気光学係数と呼ばれる。
When acting external electric field (E x, E y, E z) within the crystal, the refractive index ellipsoid, (x 2 / n o 2 ) + (
このとき、Ex=Ey=0およびEz=Er(R)となるような配置を選べば、屈折率楕円体は、(x2/no 2)+(y2/no 2)+(x2/ne 2)+2r63Ezxy=1となる。この屈折率楕円体は、x−y軸をz軸の周りにπ/4回転させた新たな軸をx‘−y‘軸としたときには、次のように表される。
〔1/(no)2−r63Ez〕x‘2+〔1/(no)2−r63Ez〕y‘2+〔1/(ne)2〕z ‘2=1
したがって、外部電場(Ex,Ey,Ez)が及んでいる範囲においては、外部電場のない屈折率楕円体に対して、局所的にz軸を中心にπ/4回転した屈折率楕円体が挿入された状態になると考えられる。
At this time, if you choose the arrangement such that E x = E y = 0 and E z = E r (R) , the refractive index ellipsoid, (x 2 / n o 2 ) + (
[1 / (n o) 2 -r 63 E z ] x '2 + [1 / (n o) 2 -r 63 E z ] y' 2 + [1 / (n e) 2] z '2 = 1
Therefore, in the range covered by the external electric field (E x , E y , E z ), the refractive index ellipse locally rotated by π / 4 around the z axis with respect to the refractive index ellipsoid without the external electric field. It is considered that the body is inserted.
このときに、走査光の光軸をz軸にとれば、z軸方向にかかる外部電場により新たに生じるx‘−y‘2成分間の屈折率差は、δn=1/〔1/(no)2−r63Ez〕0.5−1/〔1/(no)2+r63Ez〕0.5は、ほぼ(no)3r63Ezとなる。
At this time, if the optical axis of the scanning light is taken as the z-axis, the refractive index difference between x′-
したがって、走査光の光軸をz軸にとり、荷電粒子の軌道をx‘−y‘平面に平行となるようにとると、荷電粒子通過に伴って生じる位相差δΓは次のように表される。 Accordingly, when the optical axis of the scanning light is taken as the z-axis and the trajectory of the charged particle is made parallel to the x′-y ′ plane, the phase difference δΓ generated when the charged particle passes is expressed as follows. .
δΓ=(2π/λ)(no)3r63ET(R)〔R/(neγβ)〕
=e/(2εo)×(no/(ne)0.5)3r63〔1/(mλ2β)〕
ただし、上式では、荷電粒子からの距離Rを、R=mλとして、走査光の波長を単位とした長さで表した。
δΓ = (2π / λ) ( n o) 3 r 63 E T (R) [R / (n e γβ)]
= E / (2ε o ) × (n o / (n e ) 0.5 ) 3 r 63 [1 / (mλ 2 β)]
However, in the above equation, the distance R from the charged particle is expressed as a length in units of the wavelength of the scanning light, where R = mλ.
本発明は、医療(例えば、イオンビームによる癌治療)、物理学(例えば、宇宙・素粒子物理学)、生命科学(DNAの分析、ポストゲノム計画、プロテオミクスないし機能単位としてのたんぱく質群の解析)、半導体の製造(イオンドーピング)等、各種技術分野における荷電粒子の検出および運動制御に広く適用できる。 The present invention includes medical treatment (for example, cancer treatment by ion beam), physics (for example, space / particle physics), life science (analysis of DNA, post-genome planning, proteomics, or analysis of protein groups as functional units). It can be widely applied to detection and motion control of charged particles in various technical fields such as semiconductor manufacturing (ion doping).
1 荷電粒子検出システム
10 レーザ光
11 前段プリズム
12 正方晶系結晶
13 後段プリズム
14 凸レンズ
15 レンズ焦点面
16 光ファイバー束
17 マスク
18 受光素子
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記結晶の内部に光を照射する光照射段階と、
前記光照射段階に照射されて結晶を通過する光を、前記屈折率変化に基づく光学的位相変化が生じている光成分と、前記屈折率変化に基づく光学的位相変化が生じていない光成分とに分離する光成分分離段階と、
前記分離段階にて分離された光学的位相変化が生じている光成分を検出することによって、前記荷電粒子を検出する荷電粒子検出段階とを備えることを特徴とする荷電粒子検出方法。 A charged particle detection method for detecting charged particles by detecting a refractive index change generated electro-optically inside a crystal by an electric field generated by charged particles passing outside,
A light irradiation step of irradiating light inside the crystal;
The light irradiated through the light irradiation stage and passing through the crystal is divided into a light component that has undergone an optical phase change based on the refractive index change, and a light component that has not undergone an optical phase change based on the refractive index change. A light component separation stage that separates into
A charged particle detection method comprising: a charged particle detection step of detecting the charged particle by detecting a light component that has undergone an optical phase change separated in the separation step.
前記結晶は、異なる位置に配置された複数の正方晶系結晶であり、
前記複数の結晶の内部に光を照射する光照射段階と、
前記光照射段階に照射されて各結晶を通過する光を、前記屈折率変化に基づく光学的位相変化が生じている光成分と、前記屈折率変化に基づく光学的位相変化が生じていない光成分とに分離する光成分分離段階と、
前記分離段階にて分離された各結晶の屈折率変化に基づく光学的位相変化が生じている光成分を検出することによって、各結晶における前記荷電粒子が通過するときの時間情報を特定し、これら時間情報に基づいて、前記荷電粒子の速度、運動量、エネルギー、スピン情報の少なくとも一つを検出する荷電粒子検出段階とを備えることを特徴とする荷電粒子検出方法。 A charged particle detection method for detecting charged particles by detecting a refractive index change generated electro-optically inside a crystal by an electric field generated by charged particles passing outside,
The crystals are a plurality of tetragonal crystals arranged at different positions;
A light irradiation step of irradiating light inside the plurality of crystals;
The light component irradiated with the light irradiation stage and passing through each crystal has a light component in which an optical phase change based on the refractive index change occurs and a light component in which an optical phase change based on the refractive index change does not occur A light component separation stage that separates into
By detecting the light component in which the optical phase change based on the refractive index change of each crystal separated in the separation step is detected, the time information when the charged particles in each crystal pass is specified, and these A charged particle detection method comprising: a charged particle detection step of detecting at least one of velocity, momentum, energy, and spin information of the charged particle based on time information.
前記荷電粒子検出段階にて検出した荷電粒子の速度、運動量、エネルギー、スピン情報の少なくとも一つに基づいて、前記荷電粒子の運動状態の制御量を決定することを特徴とする荷電粒子制御方法。 A charged particle control method for controlling a movement state of the charged particles using the charged particle detection method according to claim 3,
A charged particle control method comprising: determining a control amount of a motion state of the charged particle based on at least one of velocity, momentum, energy, and spin information of the charged particle detected in the charged particle detection step.
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