JP5765708B2 - 永久磁石型多段六極磁子装置及び六極磁子焦点距離調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、量子状態を選別した粒子ビームを生成するための多極磁子装置に関するものである。更に詳しくは、外部からの移動機構により永久磁石で構成された多段六極磁子の構成を変化させることにより、六極磁子の焦点距離を変化させる方法に関するものである。

六極磁子は、内径空間に六極磁界（３対のＮＳ磁極対が中心付近に形成する磁界）を発生させる磁気回路を指す。六極磁子に入射した粒子は、磁気モーメントが正の場合には中心軸から遠ざかる向きに、また磁気モーメントが負の場合には中心軸に向かう方向に偏向力を受ける。この偏向力が粒子の磁気モーメントに比例することを利用すると、複数の量子状態の混ざった粒子ビームから特定の量子状態を選別したビームを生成することができる。また、量子状態選別ビームの運動エネルギーは六極磁子の焦点距離により決まり、焦点距離は六極磁子の磁場強度、中心ボア径、および長さに依存することが知られている。

従来、粒子の量子状態を選別しかつその運動エネルギーを調整できるビームを生成する場合、電磁石で構成された六極磁子を用い、その励磁電流を変化させることにより磁場強度を変化させて行うことが一般的であった。しかし、電磁石を使用する場合、装置が極端に大型化、重量化する上、電磁石からの漏洩磁界が大きく実験に悪影響を与えることが問題となっていた。

一方、永久磁石で構成された六極磁子は、強力な希土類磁石等を利用すれば装置の大幅な小型化と漏洩磁界低減が可能になる点で非常に優れており、スピン偏極した原子ビームの生成等に使用されてきた（例えば非特許文献１，２）。しかし、永久磁石で六極磁子を構成する場合、六極磁子の焦点距離が永久磁石の磁場強度や構造により決定され、量子状態選別ビームの運動エネルギーが固定される問題があった。そして運動エネルギーを変化させるには、通常真空容器内に設置されている六極磁子をビームライン外に取り出し、全体を組替える必要があった。

A. P. Jardine, P. Fouquet, J. Ellis, and W. Allison, Review of scientific instruments, 72 (2001) 3834. M. Kurahashi and Y. Yamauchi, Review of scientific instruments, 79, 073902 (2008). K. Halbach, Nucl. Inst. And Methods, vol. 169, 1 (1980) M. Kurahashi and Y. Yamauchi, Rev. Sci. Instrum., vol.80, 083103, (2009). N. A. Kuebler, M. B. Robin, J. J. Yang, A. Gedanken, and D. R. Herrick, Phys. Rev. A vol. 38, 737 (1988).

そこでこの出願の発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであり、電磁石型六極磁子を使用することなく、永久磁石で構成された六極磁子の焦点距離を外部操作により変化させる手法を提供することである。

本発明は、上記の課題を解決するものとして、本発明の第１として、量子状態を選別した粒子ビームを生成するための多極（六極）磁子装置であって、永久磁石で構成された複数個の固定された六極磁子及び複数個の移動可能な六極磁子の中心軸が粒子ビーム軸と一致するように配設される構造を有し、かつ、前記移動可能な複数個の六極磁子がそれぞれ単独に外部からの操作により粒子ビーム軸に対して直角方向に移動する移動機構を具備していることを特徴とする多段六極磁子装置を提供する。

本発明の第２は、移動機構が直進機構又は回転機構である多段六極磁子装置を提供する。

本発明の第３は、使用する六極磁子のボア径がすべて同一、あるいは一部が異なる多段六極磁子装置を提供する。

本発明の第４は、使用する六極磁子の長さがすべて同一あるいは一部異なる多段六極磁子装置を提供する。

本発明の第５は、固定された六極磁子のすべてあるいはその一部が、移動可能な多段六極磁子の前段部、後段部あるいは中間部に位置する多段六極磁子装置を提供する。

本発明の第６は、発明１の多段六極磁子装置において、複数個の移動可能な六極磁子の内の一個以上を、単独あるいは複数個同時に、外部からの操作により粒子ビーム軸に対して直角方向に移動することにより、多段六極磁子装置の焦点を移動する多段六極磁子の焦点距離調整方法を提供する。

この発明によれば、電磁石型六極磁子を使わなくとも、永久磁石型六極磁子により量子状態選別粒子ビームの運動エネルギー調整が可能となるため、粒子ビーム源の大幅な小型化と軽量化が可能となり、スピン偏極原子ビーム、状態選別分子ビーム、偏極中性子ビーム源等、多様な用途への応用が期待出来る。そして化学反応や表面磁性の分析機器、あるいは表面改質装置への応用が期待できる。

実施例で用いた実験装置の構成図。 三重項準安定ヘリウム（Ｈｅ^＊）原子ビームに対する磁場偏向スペクトル。 三重項酸素分子ビームに対する磁場偏向スペクトル。

本発明の用途は、量子状態選別ビームの運動エネルギー調整である。そして六極磁子焦点距離が調整できることの証明は、量子状態選別ビームの運動エネルギー調整例を示すことにより与えられる。以下、三重項ヘリウム原子、及び三重項酸素分子の量子状態選別ビームの運動エネルギー調整例を示すが、はじめに両実験で用いた装置について記述する。

本発明を利用して量子状態選別ビームを生成する場合、磁気モーメントの異なる複数の量子状態が含まれる粒子ビームを本出願の多段六極磁子の中心ボア内に入射させ、下流に設置したアパーチャーを通過する粒子ビームを取り出す。ここで、磁気モーメントと運動エネルギーが六極磁子の構造と磁場強度で決まる関係式を満たす粒子のみがアパーチャーを通過する。本出願の多段六極磁子では、外部操作により六極磁子の構成を変えることができるので、着目している量子状態の粒子ビームを異なる運動エネルギーに対して得ることができる。

実験装置を図１に示す。ビーム源、六極磁子、及びシュテルンーゲルラッハ分析器から構成される。ここで六極磁子は円筒形状をもち、中心ボア内をビームが通過する。本装置では、ビーム源（１）で生成した粒子をスキマー（２）［開口部直径０．７ｍｍ］を通して六極磁子（３Ａ、３Ｂ、４Ａ、４Ｂ）中心ボアに入射させ、アパーチャー（９）を通過する粒子をシュテルンーゲルラッハ分析器（１０）で分析する。ここで入射粒子が負の磁気モーメントを持つ場合、粒子は六極磁子中心軸方向に磁気モーメントの大きさに比例する偏向力を受ける。また磁場偏向の大きさは六極磁子通過時間に依存するため、粒子の軌道は運動エネルギーに依存する。従って、図１に曲線で示したようにアパーチャー（９）を通過する（すなわち磁場選別される）粒子の運動エネルギーは、該当する量子状態の磁気モーメント、六極磁子ボア半径（ｒ_０）、磁場強度（Ｂ_０）及び六極磁子長に依存する。なお、ビームライン上には磁気モーメントを持たない成分を除去するための軸上絞（７）、粒子の磁気量子数の符号を反転させるためのスピン反転器（８）が設置されている。

本出願の多段六極磁子は、六極磁子（固定ユニット）（３Ａ、３Ｂ）、六極磁子（可動ユニット）（４Ａ、４Ｂ）、 ガイド（５）及び直進導入機構（６）から構成される。希土類磁石を用いて構成したハルバッハ型六極磁子（非特許文献３）を本実施例の六極磁子として用いた。長さ５０ｍｍ、中心軸からの距離ｒ_０における磁場強度Ｂ_０＝１．４テスラの六極磁子を本実施例では使用した。ボア半径ｒ_０が異なる二種類のものを以下の実施例では用い、ｒ_０＝３．６ｍｍ、４．８ｍｍのユニットを以下Ａ、Ｂと記載する。六極磁子（固定ユニット）（３Ａ、３Ｂ）は、六極磁子の中心軸を揃えるためのガイド（５）に固定されている。また、六極磁子（可動ユニット）（４Ａ、４Ｂ）は直進導入機構（６）に取り付けられ、真空外からの操作によりビームラインに出し入れすることができる。これにより、粒子線が通過する多段六極磁子の構成を変化させることができる。多段六極磁子の有効長が長いほど、また通過する粒子に作用する偏向力が大きいほど、アパーチャー（９）を通過する粒子の運動エネルギーは大きくなる。本実施例では、粒子線が通過する多段六極磁子の組み合わせをＡＡＢ−−、ＡＡＢ−Ｂ、ＡＡＢＡ−、ＡＡＢＡＢ（ハイフンは六極磁子が抜かれた状態）と４通り変化させることができるが、粒子の運動エネルギーはこの順に増大する。ＡＡＢ−ＢよりＡＡＢＡ−の方が運動エネルギーが大きい理由は、六極磁子Ａの方がボア半径ｒ_０が小さく、偏向力が六極磁子Ｂより大きいためである。

本実施例では六極磁子（可動ユニット）の移動機構として直進機構の例を示したが、移動機構として回転機構を用いることも可能である。また、本実施例では六極磁子（可動ユニット）の数を２個としたが、これをＮ個に増やせば多段六極磁子で実現できる運動エネルギーは、原理的に２^Ｎ通りになる。なお、本実施例で可動ユニットにボア半径の異なる六極磁子を用いた理由は、ＡＡＢ−ＢとＡＡＢＡ−で大きな運動エネルギーの差を得るためであり、ＡとＢが同じボア径では両配置で有意な差を得ることができないためである。ボア径を変えることと同様な効果は、可動ユニットに用いる六極磁子の長さを変えることによっても得られる。

また、本実施例では六極磁子（固定ユニット）を多段六極磁子前段に配置したが、その一部またはすべてを、多段六極磁子の後段あるいは中間に配置しても、同様な運動エネルギー調整が可能である。

本システムで生成した状態選別粒子ビームの磁気モーメント及び運動エネルギーは、シュテルンーゲルラッハ分析器（１０）により計測される。シュテルンーゲルラッハ実験では、半径の異なる半円状凹凸型の磁極間に形成される不斉磁界中に粒子ビームを入射させ、生じた磁場偏向を計測する。磁場偏向の大きさは粒子の磁気モーメントに比例し、運動エネルギーに反比例する（非特許文献２）。

＜実施例１ 三重項準安定ヘリウム原子ビーム＞
スピン量子数Ｓ＝１の三重項ヘリウム原子（Ｈｅ^＊：２^３Ｓ）には、磁気量子数（Ｍ_Ｊ＝＋１，０，−１）に対応する３状態が存在し、各状態の磁気モーメントは異なる。このうちＭ_Ｊ＝＋１状態のみを選別したＨｅ^＊原子ビームは表面電子スピン状態計測に利用されており、更に運動エネルギーを制御できれば、分子の波動関数の空間分布に関するより詳細な情報が得られる。本出願の多段六極磁子を利用することにより、Ｍ_Ｊ＝＋１状態のビームを異なる運動エネルギーに対して得ることができることを以下で示す。

Ｈｅ^＊原子は、ビーム源（１）にヘリウムガスを導入し、ビーム源（１）に内蔵させた電極とスキマー（２）の間の放電により生成した。生成されたＨｅ^＊原子は、マクスウェル分布に従う運動エネルギー分布を持っている。また放電により生じるＨｅ^＊原子には、Ｍ_Ｊ＝＋１， ０，−１の３状態が等確率で含まれている。このＨｅ^＊原子を多段六極磁子に入射させると、磁気モーメントが負であるＭ_Ｊ＝＋１の成分のみが六極磁子中心軸に収束する向きに偏向力を受ける。そして、Ｍ_Ｊ＝＋１の成分のうち、アパーチャー（９）を通過する運動エネルギーを持つＨｅ^＊ビームが得られる。なお、Ｍ_Ｊ＝−１の成分は六極磁子中心軸から発散する向きに偏向力を受けるためビームから除かれ、またＭ_Ｊ＝０の成分は軸上絞（７）により除かれる。

図２に、多段六極磁子の構成を４通りに変化させたときのシュテルンーゲルラッハスペクトルの変化を示す。実線はＭ_Ｊ＝＋１のＨｅ^＊ビーム、点線はスピン反転器（８）により磁気量子数を反転させた場合のスペクトルを示す。なお、磁場偏向０付近の小さいピークは、スピン反転の過程で少量生成されたＭ_Ｊ＝０の成分に対応する。ここで磁気量子数の符号を反転させると磁気モーメントの符号が反転するため、磁場偏向は逆方向になっている。また六極磁子の構成を変化させると磁場偏向が変化し、上述の通り、ＡＡＢ−−、ＡＡＢ−Ｂ、ＡＡＢＡ−、ＡＡＢＡＢの順に運動エネルギーが大きくなる（磁場偏向が小さくなる）様子が示され、４通りの運動エネルギーが実現できることが示されている。このことは、本システムにより、六極磁子の焦点距離が４通り変化できることを示すものである。

＜実施例２ 三重項酸素分子ビーム＞
量子状態（Ｊ，Ｍ_Ｊ）＝（２，２）の酸素分子ビームの運動エネルギー調整への実施例を以下に示す。酸素分子は基底状態において２個の不対電子に由来するスピン角運動量（Ｓ）を持ち、またニ原子分子であるため分子中心に対する回転角運動量（Ｋ）を持つ。酸素分子のスピン状態及び回転状態は合成角運動量Ｊ（＝Ｋ＋Ｓ）とその磁気量子数Ｍ_Ｊを用いて表現される（非特許文献４）。ここで（Ｊ，Ｍ_Ｊ）＝（２，２）で表される量子状態においては、酸素分子のスピン状態と回転状態をよく定義できるため、（２，２）状態の酸素分子ビームは、酸化反応機構の研究に極めて有用である（非特許文献４）。 以下、（２，２）状態の選別及び運動エネルギー調整を本システムにより実施した事例を示す。

本実施例では、
（ｉ）酸素分子の冷却と運動エネルギー調整、
（ｉｉ）六極磁子による（Ｊ，Ｍ_Ｊ）＝（２，２）状態の選別、
の２ステップにより（２，２）状態の酸素分子ビームを生成した。

（ｉ）には超音速分子線技術を利用した。（２，２）状態は回転量子数が最低（Ｋ＝１）の量子状態である。したがって、多段六極磁子に入射させる前段階において酸素分子を十分に冷却し、Ｋ＝１由来の量子状態の密度を高めておく必要がある。細孔から混合ガスを真空中に断熱膨張させる際に分子は冷却され速度広がりが減少し、生成されるビームの中心速度はガスの混合比に依存することが知られている。本実施例ではこれを利用し、圧力１−２気圧の酸素／ヘリウム混合気体を直径５０μｍのノズルを有するビーム源（１）から真空中に断熱膨張させることにより分子を冷却し、また酸素／ヘリウム混合比を調整することにより酸素分子の運動エネルギーを調整した。なお、本条件によりＫ＝１由来の量子状態の分子が殆ど１００％を占めるビームが得られることがすでに報告されている（非特許文献５）。

次に（ｉｉ）について説明する。回転量子数Ｋ＝１由来の量子状態には９状態があり、ビーム源（１）で生成された分子ビームはこれら９状態を含んでいる。このビームを六極磁子中に入射させると、各状態は磁気モーメントが異なるため、六極磁子内で異なる軌道を描く。量子状態（Ｊ，Ｍ_Ｊ）＝（２，２）はＫ＝１由来の量子状態のうち磁気モーメントが最大であるため、最も磁場偏向が大きい。したがって、上記（ｉ）において、ビームの運動エネルギーを（２，２）状態に対する透過エネルギーに等しくなるように設定すれば、他の量子状態の分子は偏向不十分でアパーチャー（１１）を通過できない。この原理を利用すれば、六極磁子により（２，２）状態の選別を行うことができる（非特許文献４）。

本実施例では以下の手順により、運動エネルギーの異なる（２，２）状態の酸素分子ビームを得た。本システムでは４通りの六極磁子の構成が可能であり、その構成を決めると（２，２）状態の酸素分子に対する透過エネルギーが決定される。そして酸素／ヘリウム混合比を変化させることにより、ビーム源（１）で生成される酸素分子ビームの運動エネルギーを調整し、これを多段六極磁子の透過エネルギーにあわせる。これを４通りの多段六極磁子の組み合わせに対して行い、測定したシュテルンーゲルラッハスペクトルを図３に示す。図の実線は、Ｈｅ^＊の結果と同じく非反転モードのスペクトルで、一本のピークは（２，２）状態に対応する。ここでピークが１本しか現れないことは、（２，２）以外の状態の分子がビーム中に含まれないことを示している。図の点線は、スピン反転器で磁気量子数をＭ_Ｊ＝＋２からＭ_Ｊ＝−２に反転させた場合（反転モード）のスペクトルである。Ｈｅ^＊の場合と同様に、４通りの多段六極磁子の構成に対し、４通りの運動エネルギーが実現できることが示されている。このことは、本システムにより、六極磁子の焦点距離が４通り変化できることを示している。

本発明の焦点可変永久磁石型多段六極磁子システムによって、小型かつ軽量な速度可変の量子状態選別粒子ビーム生成装置が提供され、化学反応機構の研究、スピン計測、化学反応制御などへの用途が期待できる。

１ ビーム源
２ スキマー
３Ａ 六極磁子Ａ （固定ユニット）
３Ｂ 六極磁子Ｂ （固定ユニット）
４Ａ 六極磁子Ａ （可動ユニット）
４Ｂ 六極磁子Ｂ （可動ユニット）
５ ガイド
６ 直進導入機構
７ 軸上絞
８ スピン反転器
９ アパーチャー
１０ シュテルンーゲルラッハ分析器

Claims (6)

1. 量子状態を選別した粒子ビームを生成するための多段六極磁子装置であって、永久磁石で構成された複数個の固定された六極磁子及び複数個の移動可能な六極磁子の中心軸が粒子ビーム軸と一致するように配設される構造を有し、かつ、前記移動可能な複数個の六極磁子がそれぞれ単独に外部からの操作により粒子ビーム軸に対して直角方向に移動する移動機構を具備していることを特徴とする多段六極磁子装置。
2. 移動機構が直進又は回転機構であることを特徴とする請求項１に記載の多段六極磁子装置。
   
3. 使用する六極磁子のボア径がすべて同一、あるいは一部が異なることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の多段六極磁子装置。
4. 使用する六極磁子の長さがすべて同一あるいは一部異なることを特徴とする請求項１ないし３に記載の多段六極磁子装置。
5. 固定された六極磁子のすべてあるいはその一部が、移動可能な六極磁子の前段部、後段部あるいは中間部に位置することを特徴とする請求項１ないし４に記載の多段六極磁子装置。
6. 請求項１に記載の多段六極磁子装置において、複数個の移動可能な六極磁子の内の一個以上を、単独あるいは複数個同時に、外部からの操作により粒子ビーム軸に対して直角方向に移動することにより、多段六極磁子装置の焦点を移動することを特徴とする多段六極磁子の焦点距離調整方法。