JP4886138B2 - 電子衝撃イオン源 - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、請求項１の包括的な表現による、電子衝撃イオン源に関する。電子衝撃イオン源は、高密度に荷電されたイオンの生成、これらイオンの抽出を可能にし、紫外線、真空紫外線、赤外線および高密度に荷電されたイオンから成る特性Ｘ線放射の線源として役立つ。
【０００２】
（背景技術）
ｍ．Ａ．Ｌｅｖｉｎｅ，ｒ．Ｅ．Ｍａｒｒｓ、ｊ．ｒ．Ｈｅｎｄｅｒｓｏｎ，ｄ．Ａ．Ｋｎａｐｐ，ｍ．Ｂ．Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒの文献：Ｐｈｙｓｉｃａ Ｓｃｒｉｐｔａ，Ｔ２２（１９８８）１５７において、ＥＢＩＴ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｉｏｎ Ｔｒａｐ）が他の装置が知られており、その文献において、多重に荷電されたイオンは、連続するドリフト管システムにより超高真空状態下で加速され、また、超伝導ヘルムホルツ・コイルにより合焦させられた軸対称高密度電子ビームにおいて生成される。
この装置は、電子銃、いくつかの円筒状ドリフト管、電子集電極、抽出電極、合焦磁石システム、および装置の中で超高真空状態を生成するシステムを備えている。
電子ビームは、装置の中心部にイオントラップを生成し、イオントラップは、イオンの空間電荷力により放射方向にイオンを保持する。Ｅ．ｄ．Ｄｏｎｅｔｓの文献：ＵＳＳＲ Ｉｎｖｅｎｔｏｒｓ Ｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｅ ＮＯ．２４８８６０，Ｍａｒｃｈ １６，１９６７，Ｂｕｌｌ．ＯＩＰＯＴＺ ＮＯ．２３（１９６９）６５によれば、軸方向において、電子衝撃イオン化により電子ビーム内で生成されるイオンは、正の電位によりドリフト管構造の端で保持される。
【０００３】
得られた、高密度に荷電されたイオンは、最後のドリフト管のトラップ電位を下げることにより、イオントラップから抽出されることができる。トラップにイオンが蓄積されている間に、蓄積されたイオンにより放出された特性Ｘ線および他の長波長電磁線は、線源の軸に垂直に、磁石システムの子午線面において放射される。
達成可能な最大のイオン荷電は、イオン化ファクタｊτ、すなわち、トラップの電子ビームにおける、電子電流密度ｊとイオン滞留時間τの積の関数である。達成可能な最高密度のイオン荷電状態を制限する工程は、本質的に、多重に荷電されたイオンを残留ガス原子と電荷交換する（ｃｈａｒｇｅ ｅｘｃｈａｎｇｅ）工程である。したがって、本明細書で述べられる方法に基づいて、高密度に荷電されたイオンを生成するデバイスは、超高真空状態下にて高密度電子ビームを形成できなければならない。
【０００４】
前述した目的を達成するために、ＥＢＩＴ装置において、超伝導法と組み合わせされた極低温法が使用される。この方法において、イオントラップの長さにわたって、電子ビームを合焦させるために、３Ｔ〜５Ｔの磁場のインダクションを持つ超伝導ヘルムホルツ・コイルが使用されるが、この長さは、公知の装置において、２５ｍｍの値を超えない。電子ビームの電流密度は、３０ｃｍを超える電子−光学システム（陰極−電子集電極）の全長を持つトラップ長にわたって、２，０００〜５，０００Ａ／ｃｍ^２である。極低温システムは、超伝導ヘルムホルツ・コイルを４．２Ｋの温度で極低温保持するとともに、イオントラップ領域において効果的な極低温ポンプとして働き、≧１０^−１１〜１０^−１２Ｔｏｒｒの真空を生成する。
【０００５】
こうした装置に対する非常に要求度の高い技術的パラメータの結果として、複雑で、技術的に難しく、また、非常に高価な装置となる。極低温および超高真空装置に対する要望により、さらに制限が加わる。
【０００６】
電子電流密度を２００〜５００Ａ／ｃｍ^２へ低減することにより、トラップにおいて特定のイオン荷電状態を生成するのに要する時間が増加し、したがって、抽出された多重荷電されたイオンの平均ビーム強度が減少するが、減少は、全電子電流の増加により補償されることができる。
前述した密度を有する電子ビームを形成するためには、０．２Ｔ〜０．５Ｔの合焦磁場強度が必要とされ、その磁場強度は、最新の磁気材料に基づく永久磁石システムにより生成されることができる。
最新の真空技術により、極低温装置なしで、１０^−１２Ｔｏｒｒの圧力範囲の超高真空が得られる。
これにより、Ｈ．Ｋｈｏｄｊａ，ｊ．Ｐ．Ｂｒｉａｎｄの文献：Ｐｈｙｓｉｃａ ｓｃｒｉｐｔａ，Ｔ７１（１９９７）１１３に記載されているように、いわゆるＭＩＣＲＯ−ＥＢＩＴの構成が可能になった。この装置の基本概念は、ＥＢＩＴ型のイオントラップの生成には、コンパクトな工業用クライストロンが使用されるということである。イオントラップ領域の電子ビームの放射方向の寸法を制限する合焦磁場は、０．２５Ｔの磁気インダクションを生ずる２つのＣ型永久磁石により生成される。電子ビームの生成のために、２．５Ａ／ｃｍ^２の最大放射率を持つクライストロンの元の陰極が使用される。装置における超高真空は、ターボ分子とイオンゲッタポンプを組み合わせた標準技術を用いて３００℃で加熱した後に得られる。
【０００７】
ＭＩＣＲＯ−ＥＢＩＴにおいて、１．２ｓのイオン化期間の後に、Ａｒ^１６＋イオンが検出された。すなわち、約１〜１０^２０ｃｍ^−２のイオン化ファクタが得られ、それは、１４Ａ／ｃｍ^２の電子電流密度に対応する。
この装置は、ビーム中で低い電子電流密度（超伝導ＥＢＩＴの密度よりも１００倍低い）を有しており、この密度は、Ａｒ^{１ 6 ＋}のようなかなり低いイオン荷電状態に対する制限と関連付けられる（ｗｉｔｈ ｗｈｉｃｈ Ａ ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ…ｉｓ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）。
かなり低い放射率を持つ適切でない陰極の選択と、それに関連する、電子ビームの比較的高い静電拡散を持つ電子銃の使用は、さらなる重大な欠点となる。
【０００８】
ｓ．Ｉ．Ｍｏｌｏｋｏｖｓｋｉ，Ａ．ｄ．Ｓｕｓｃｈｋｏｖの文献：Ｉｎｔｅｎｓｉｖｅ Ｅｌｅｋｔｒｏｎｅｎ−ｕｎｄ Ｉｏｎｅｎｓｔｒａｈｌｅｎ （Ｉｎｔｅｎｓｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ａｎｄ ｉｏｎ ｂｅａｍｓ），Ｖｉｅｗｅｇ Ｖｅｒｌａｇ，Ｗｉｅｓｂａｄｅｎ，１９９９において知られているように、陰極の場所で磁場がゼロの時、ブリュアン合焦に対して、軸方向磁場により合焦させられる電子ビームの最大電流強度が維持されることができる。こうしたシステムにおいて、いわゆる電子流のブリュアン密度は、陰極から出る時の電子の熱運動の速度成分（ｍ．Ｓｚｉｌａｇｙｉの文献：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ａｎｄ Ｉｏｎ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｐｌｅｎｕｍ Ｐｒｅｓｓ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ ａｎｄ Ｌｏｎｄｏｎ，１９８８も参照されたい）および陽極レンズ内のアベレーション（ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）により制限される。アベレーションの最小値は、近軸流および層流の場合に、すなわち、電子ビームの最小の拡散（圧縮）を持つ電子銃に対して、また、それゆえ、最大の効率を持つ陰極、すなわち、最大の高放出密度を持つ陰極に対して可能である。
【０００９】
本発明の目的は、極低温構成要素なしで、また、超伝導装置なしで、高密度に荷電されたイオンを得るための効果的な電子衝撃イオン源（ＷＥＢＩＴ）を生成し、これらイオンおよび、トラップから高密度に荷電されたイオンを抽出することにより、異なる科学的、技術的および専門用途のためのＸ線および真空紫外線分光法を行なうことである。
【００１０】
（発明の開示）
本発明によれば、請求項１の包括的な表現で説明された機能と関連して問題が解決され、請求項によれば、電子ビームを軸対称に合焦させるための装置は、向かい合う方向に放射方向に磁化された少なくとも２つのリングを備え、それぞれのリングは、電子ビームを囲み、向かい合う方向に放射方向に磁化されたそれぞれの２つのリングは、磁気導体により連結され、単一化された磁石システムを形成し、それにより、閉じる磁場は、イオントラップのイオン滞留ゾーンを通過する。
陰極は、小さな陰極直径に関して、≧２５Ａ／ｃｍ^２の非常に高い放射率を有し、イオン滞留ゾーンにおいて１０^−７〜１０^−１１Ｔｏｒｒの真空が線源を動作させながら設定できる。
【００１１】
有利には、磁化された永久磁石ブロックは、連結されてリングを形成し、柔らかい磁気材料から成る磁気導体により、放射方向の磁化が得られるように囲まれる。
【００１２】
さらに、有利には、磁化された永久磁石ブロックは、リングが効率良く製作されるように、Ｓｍ_５ＣｏまたはＮｄＦｅＢなどの硬い磁気材料から成る直方体である。
【００１３】
有利には、開閉し得る、イオントラップは、高電圧絶縁体上に取り付けられた３部分ドリフト管から成る。制御可能な加速電位は、中心部分に印加され、設定可能なトラップ電位は、外側部分に印加される。
【００１４】
イオン化ゾーンに最高の真空を生成するために、ドリフト管の中心部分は、軸方向の電子ビームに沿って多数の長手方向のスロットまたは他の適当な開口を備えており、それにより、イオントラップ領域において効率良くポンピングすることを可能にする。
【００１５】
電子衝撃イオン源の有利な実施形態において、４つのフランジを持つ真空容器が備わり、その中の２つの向かい合うフランジが第１の軸を形成し、２つの他のフランジが第２の軸を形成し、それにより、第１と第２の軸が互いに交差し、電子銃、ドリフト管、電子集電極および抽出電極が、この順序で、第１の軸に配置され、第１の軸に沿ったその位置にドリフト管を位置決めするために、第２の軸に沿って、高電圧ブッシングがフランジに連結されることができ、また、真空ポンプが他のフランジに連結されることができる。より多いまたは少ない数のフランジを用いた別の解決策も可能である。
【００１６】
有利には、こうした装置において、磁気導体は、第２の軸の両側で第１の軸に平行に、真空容器を通過し、そこで、リングに対するシートを形成する。真空容器の内部に達する磁気導体の部分は、Ｌ型に曲げられ、ドリフト管に対して磁気的に短絡される。
【００１７】
本発明による電子衝撃イオン源は、近軸流および層流に対してアベレーションの最小値を可能にする。この目的のために、電子ビームの最小の拡散（圧縮）、また、それゆえ、最大の効率を持つ陰極、すなわち、最大の高放射密度を持つ陰極を持つ電子銃が使用される。
【００１８】
したがって、本発明の利点は、超高密度に荷電されたイオンが極低温装置なしで効率良く生成されることである。
【００１９】
（発明が実施されるための最良の形態）
以下において、本発明が、実施形態の例によりさらに説明される。
【００２０】
図１は、本発明の略図である。軸１６上で、陰極１４を持つ電子銃３、３つのドリフト管４、１５、４、電子集電極５および抽出電極６は、この順序で配置されている。向かい合う方向で放射方向に磁化された２つのリング２は、ドリフト管構造４、１５の入り口と出口で軸１６を、また、そのため、生成されることができる電子ビームを囲む。リング２は、多数の永久磁石ブロック８を備え、それにより、リング２は放射方向の磁化を受ける。ドリフト管構造４、１５の端とリング２の間に内部磁極シュー（ｐｏｌｅ ｓｈｏｅ）が備わり、それにより、閉じた磁気回路１３が、ドリフト管構造４、１５にわたって生成される。
【００２１】
図２において、真空容器１、磁気的に合焦させるシステム２、電子銃３、高電圧絶縁体（ある条件下では省略可能）上に取り付けられたドリフト管構造４、１５、電子集電極５および抽出電極６を備える、本発明による電子衝撃イオン源が示されている。真空容器１の内部において、柔らかい磁気材料から成る磁極シュー７は、イオントラップ領域に場を形成するように配置される。
【００２２】
磁場は、放射方向に磁化された永久磁石ブロック８の２つのリング２により生成され、２つのリングは、柔らかい磁気材料から成る磁気導体７、９のシステムにより互いに連結される。単一の磁気要素は、単純な直方体の形を有しており、単純な直方体の形により、ＳｍＣｏ _５ またはＮｄＦｅＢなどの最新の硬い磁気材料の使用が容易に可能になる。
【００２３】
リング２は、真空容器１の外側にあり、したがって、超高真空に達するための加熱時間中は、取り外すことができる。本デバイスのこの特殊性により、加熱工程中に最新の硬い磁気材料の比較的い低いキューリー温度による温度制限を考慮する必要がなくなる。
【００２４】
所望の真空を生成するために、システムに装置を連結するためのフランジ１０、ドリフト管４、１５に対する絶縁真空フィードスルー１１および、イオン負荷された電子ビームにおいて生成される、それぞれ特性Ｘ線または真空紫外線の分光解析のための分光窓１２は、デバイスの子午面内にある。したがって、特性Ｘ線または真空紫外線のそれぞれの生成場所と可能な検出器の間の最小の距離は、所望の真空ポンプに対して選択されることができる（原文ｐ６、１１行目からｍｉｎｉｍｕｍ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｔｈｅ ｐｌａｃｅ…）。このことにより、特性Ｘ線または真空紫外線のそれぞれのレジストレーション中に最大の大空間角度（ｂｉｇ ｓｐａｃｅ ａｎｇｌｅ）（ひいては、最大の検出有効性）が、真空生成中に、最大の高ポンピング速度が得られる。
【００２５】
電子銃３は、幾何学的寸法、本明細書においては、特に、陰極の直径により区別され、直径は、電子ビームの角度拡散を減じ、近軸電流を得るように選択される。これは、モノクリスタル・ホウ素ランタン陰極などの高効率放出陰極材料の使用により達成される。
【００２６】
公知のＥＢＩＴおよびＥＢＩＳ装置と比較すると、少なくとも以下のパラメータが得られる。
２００Ａ／ｃｍ^２の電子電流密度、
５０ｍＡの電子電流、および
３０ｋｅＶの電子エネルギー
【００２７】
電子銃３における電子ビームの圧縮の程度は４である（すなわち、交差における、電子ビームの半径に対する陰極の半径の比は２に等しい）。２５０ｍＴのブリュアン場の値および２５Ａ／ｃｍ^２の陰極放射率に対して所定の値が得られた。
【００２８】
以下の表は、本発明による、電子衝撃イオン源に関して得られたイオンを示す。
【００２９】
表１

^＊）１５ｋｅＶの電子エネルギーに関して、Ｘ線分光法により検出された
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の略図である。
【図２】 本発明の有利な実施形態の断面図である。
【図３】 図２のＡ−Ａの断面図である。
【図４】 図３による詳細図である。
【符号の説明】
１ 真空容器
２ リング
３ 電子銃
４ イオントラップを実現するためのドリフト管
５ 電子集電極
６ 抽出電極
７ 内部磁極シュー
８ 永久磁石ブロック
９ 磁気導体
１０ フランジ
１１ 絶縁真空フィードスルー
１２ 分光窓
１３ 磁気回路
１４ 陰極
１５ 中心ドリフト管
１６、１７ 軸

Claims (8)

1. イオンを生成するための電子衝撃イオン源であって、
   生成と加速用の陰極と陽極を持つ電子銃と、
   電子ビームを軸対称に合焦させるデバイスと、
   軸対称に合焦させられた電子ビームの領域において、開閉し得る、イオントラップにイオン化可能な物質を導入するための手段と、
   電子が前記イオントラップを通過した後に、電子を抽出するデバイスと、
   軸対称に合焦させられた電子ビームのまわりに真空を、また、前記ビーム内に前記イオントラップを生成するデバイスとを備え、
   前記電子ビームを軸対称に合焦させる前記デバイスは、向かい合う方向に放射状に磁化された少なくとも２つのリング構造（２）を備え、該リング構造（２）のそれぞれは前記電子ビームを囲むことと、
   向かい合う方向に放射状に磁化された、前記各２つのリング構造（２）は、それぞれの内側の磁気導体（７、９）により互いに連結され、単一化された磁石システムを形成し、それにより、閉磁場が、前記イオントラップのイオン滞留ゾーンを通過することと、
   前記陰極は、小さな陰極直径について、≧２５Ａ／ｃｍ^２の非常に高い放射率を有することと、
   前記イオン滞留ゾーンにおける１０^−７〜１０^−１１Ｔｏｒｒの真空は、イオン源を動作させながら設定可能なこととを特徴とする、多重に、または、超高密度に荷電されたイオンを生成するための電子衝撃イオン源。
2. 磁化された永久磁石ブロック（８）は、前記放射状に磁化されたリング（２）を形成し、前記磁気導体（７、９）により連結されて、磁気回路（１３）を形成することを特徴とする、請求項１に記載の電子衝撃イオン源。
3. 前記磁化された永久磁石ブロック（８）は、ＳｍＣｏ_５またはＮｄＦｅＢから成る直方体であることを特徴とする、請求項２に記載の電子衝撃イオン源。
4. 前記放射状に磁化されたリング（２）は、前記真空を生成するためのデバイスの外側に取り外し可能に配置されることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の電子衝撃イオン源。
5. 開閉し得る、前記イオントラップは、高電圧絶縁体に取り付けられた３部分ドリフト管（４、１５、４）から成り、これにより、制御可能な加速電位が中心部分（１５）に、設定可能なトラップ電位が外側部分に印加できることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の電子衝撃イオン源。
6. 前記中心ドリフト管（１５）は、前記軸方向の電子ビームに沿って、多数の長手方向スロットを備えていることを特徴とする、請求項５に記載の電子衝撃イオン源。
7. ４つのフランジ（１０）を持つ真空容器（１）が備わり、その中の２つの向かい合うフランジが第１の軸（１６）を形成し、２つの他のフランジが第２の軸（１７）を形成し、それにより、該第１と該第２の軸（１６、１７）が互いに交差し、前記電子銃（３）、前記ドリフト管（４、１５、４）、電子集電極（５）、および抽出電極（５）が、この順序で、該第１の軸（１６）に配置され、該第２の軸（１７）に沿って、該第１の軸（１６）に沿ったその位置に該ドリフト管（４、１５、４）を位置決めするために、高電圧フィードスルー（１１）が配置され、また、真空ポンプが他のフランジ（１０）に連結されることができることを特徴とする、請求項５又は６に記載の電子衝撃イオン源。
8. 前記磁気導体（７）は、前記第２の軸（１７）の両側で前記第１の軸（１６）に平行して前記真空容器（１）を通過し、前記リング構造（２）に対するシートを形成し、該真空容器（１）の内部に達する該磁気導体（７）の部分がＬ型に曲げられ、前記ドリフト管（４）に磁気的に短絡されていることを特徴とする、請求項７に記載の電子衝撃イオン源。

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