JP5804256B2 - Electron spin polarized ion beam generation method and apparatus - Google Patents

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Description

本発明は、電子スピン偏極イオンビーム発生方法及びその発生装置に関する。 The present invention relates to an electron spin polarized ion beam generation method and an apparatus for generating the same.

イオン散乱分光法(ISS)は、運動エネルギーの揃ったイオン(以下、イオンビームという。)を試料の固体表面に入射して、特定の方向に散乱されるイオンをエネルギー分光して、固体表面の構造や組成に関する情報を得る分光法である(非特許文献1)。
また、スピン偏極イオン散乱分光法(SP−ISS)は、ISSの入射イオンをスピン偏極することで、固体表面におけるスピンが関与する物性に関する情報を得る分光法である(非特許文献2)。SP−ISSでは、スピン偏極率の高い電子スピン偏極イオンビームを用いることにより、詳細な情報を得ることができる。
In ion scattering spectroscopy (ISS), ions with uniform kinetic energy (hereinafter referred to as ion beams) are made incident on a solid surface of a sample, and the ions scattered in a specific direction are subjected to energy spectroscopy, so that This is a spectroscopic method for obtaining information on the structure and composition (Non-patent Document 1).
In addition, spin-polarized ion scattering spectroscopy (SP-ISS) is a spectroscopic method for obtaining information on physical properties related to spin on a solid surface by spin-polarizing incident ions of ISS (Non-patent Document 2). . In SP-ISS, detailed information can be obtained by using an electron spin-polarized ion beam having a high spin polarization rate.

スピン偏極率は、上向きの電子スピンを持つイオンと、下向きの電子スピンを持つイオンの数の比で規定される。上向きの電子スピンを持つイオンの個数と下向きの電子スピンを持つイオンの個数をそれぞれn↑とn↓とすれば、スピン偏極率Pは(n↑−n↓)/(n↑+n↓)で規定される。非特許文献3には、Heイオンビームのスピン偏極率PHe+の決定方法が開示されている。 The spin polarization rate is defined by the ratio of the number of ions having an upward electron spin and the number of ions having a downward electron spin. If the number of ions having an upward electron spin and the number of ions having an downward electron spin are n ↑ and n ↓, respectively, the spin polarization P is (n ↑ −n ↓) / (n ↑ + n ↓). It is prescribed by. Non-Patent Document 3 discloses a method for determining the spin polarization rate P He + of a He + ion beam.

従来の電子スピン偏極イオンビーム発生方法として、光ポンピング法がある。
非特許文献4、5には、光ポンピング法によるHeイオンのスピン偏極方法が記載されており、非特許文献6には、光ポンピング法による各種イオンのスピン偏極方法が記載されている。
As a conventional electron spin polarized ion beam generation method, there is an optical pumping method.
Non-Patent Documents 4 and 5 describe a He + ion spin polarization method by an optical pumping method, and Non-Patent Document 6 describes a spin polarization method of various ions by an optical pumping method. .

光ポンピング法とは、偏光を原子やイオン(以下、原子等という。)に照射し、前記原子等に吸収させてエネルギーの低い状態から高い状態へ大量に励起して、特定のスピン角運動量を持つ状態の原子等を多数作り、電子スピン偏極イオンビームを発生させる方法である。 The optical pumping method irradiates polarized light to atoms and ions (hereinafter referred to as atoms) and absorbs them in a large amount from a low energy state to a high energy state to generate a specific spin angular momentum. This is a method of generating a large number of atoms and the like to generate an electron spin polarized ion beam.

非特許文献7は、入射エネルギーを30MeVとした際のイオン散乱におけるスピン軌道相互作用が記載されている。スピン軌道相互作用とは、一般的には、スピン角運動量Sと軌道角運動量Lの積S・Lで表されるベクトル間の角度に依存する相互作用である。散乱におけるスピン軌道相互作用では、入射種自身の標的核の周りの過渡的な角運動による磁場Hと入射種のスピンSとの相互作用となる。 Non-Patent Document 7 describes spin-orbit interaction in ion scattering when the incident energy is 30 MeV. The spin-orbit interaction is generally an interaction that depends on the angle between vectors represented by the product S · L of the spin angular momentum S and the orbital angular momentum L. In the spin orbit interaction in the scattering, the magnetic field H and the spin S of the incident species are caused by a transient angular motion around the target nucleus of the incident species itself.

非特許文献8には、光ポンピング法、Stern−Gerlach法、Lambシフト法による原子やイオンのスピン偏極方法が記載されている。イオン散乱におけるスピン軌道相互作用により、入射種の核スピンが偏極するとの説明がある。しかし、イオン散乱による電子スピン偏極については説明がない。 Non-Patent Document 8 describes a spin polarization method of atoms and ions by an optical pumping method, a Stern-Gerach method, and a Lamb shift method. There is an explanation that the nuclear spin of the incident species is polarized by spin-orbit interaction in ion scattering. However, there is no explanation about electron spin polarization by ion scattering.

光ポンピング法を用いた装置では、大強度の偏光が必要となる。そこで、レーザー光を高度に制御する必要がある。そのため、装置の製造コストが高くなるとともに、操作が複雑であり、取り扱いが困難であるという制約・問題点がある。
そこで、光ポンピング法を用いない電子スピン偏極イオンビーム発生方法及び発生装置が求められている。
In an apparatus using an optical pumping method, high-intensity polarized light is required. Therefore, it is necessary to highly control the laser beam. Therefore, there are restrictions and problems that the manufacturing cost of the apparatus is high, the operation is complicated, and the handling is difficult.
Accordingly, there is a need for an electron spin polarized ion beam generation method and generator that do not use an optical pumping method.

特開2008−135308号公報JP 2008-135308 A

M.Aono他3名、Phys.Rev.Lett.51(1983)801M.M. Aono et al., Phys. Rev. Lett. 51 (1983) 801 T.Suzuki,Y.Yamauchi.,Surf.Sci.602(2008)579.T. T. et al. Suzuki, Y. et al. Yamauchi. , Surf. Sci. 602 (2008) 579. T.Suzuki,Y.Yamauchi、Physical Review A77(2008)022902T. T. et al. Suzuki, Y. et al. Yamauchi, Physical Review A77 (2008) 0229902 D.L.Bixler他5名、Rev.Sci.Instr.70(1999)240D. L. Bixler and 5 others, Rev. Sci. Instr. 70 (1999) 240 T.Suzuki,Y.Yamauchi.、Nucl.Instrum.Meth.Phys.Res.A575(2007)343T. T. et al. Suzuki, Y. et al. Yamauchi. Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A575 (2007) 343 E.W.Weber.、Phys.Rep.32(1977)123E. W. Weber. Phys. Rep. 32 (1977) 123 P.D.Greaves他3名、Nucl.Phys.A179(1972)1P. D. Greaves and three others, Nucl. Phys. A179 (1972) 1 久保謙一、鹿取謙二、「スピンと偏極」、培風館Kenichi Kubo, Kenji Katori, “Spin and Polarization”, Bafukan

本発明は、光ポンピング法を用いず、スピン偏極率の絶対値が0.05以上である電子スピン偏極イオンビーム発生方法及びその発生装置を提供することを課題とする。 An object of the present invention is to provide an electron spin-polarized ion beam generating method and an apparatus for generating the electron spin-polarized ion beam in which the absolute value of the spin polarization rate is 0.05 or more without using the optical pumping method.

本研究者は、上記事情を鑑み、検討した結果、標的と静電アナライザからなるスピン偏極器を用いることにより、固体表面から弾性散乱されるイオンビームを取り出すことで容易に偏極イオンビームの発生を可能とし、前記の制約から逃れることが可能であることを見出し、本発明を完成した。
なお、本技術の基本原理は、弾性散乱におけるスピン軌道相互作用であり、電子スピンを有する全てのイオンのみならず、原子やイオン及びイオンクラスター等の集合体に応用可能である。
また、磁場配置、標的材料、入射エネルギー、散乱角を限定することにより、スピン偏極率が高いイオンビームが得られ、SP−ISS等のスピン偏極イオンビームの応用に好都合である。
本発明は、以下の構成を有する。
As a result of studying in view of the above circumstances, this researcher can easily extract a polarized ion beam by taking out an ion beam elastically scattered from a solid surface by using a spin polarizer comprising a target and an electrostatic analyzer. The present invention has been completed by discovering that it is possible to avoid the above-mentioned restrictions.
The basic principle of the present technology is spin-orbit interaction in elastic scattering, which can be applied not only to all ions having electron spins but also to aggregates such as atoms, ions, and ion clusters.
Further, by limiting the magnetic field arrangement, the target material, the incident energy, and the scattering angle, an ion beam having a high spin polarization rate can be obtained, which is convenient for application of a spin polarized ion beam such as SP-ISS.
The present invention has the following configuration.

(1)希ガス元素イオンからなるイオンビームを発生させる工程と、前記イオンビームを標的の一面に入射して、散乱イオンビームを出射させる工程と、前記散乱イオンビームを静電アナライザ内に取り込んで、電界を印加して、電子スピン偏極イオンビームを発生させる工程と、を有する電子スピン偏極イオンビーム発生方法であって、前記イオンビームを標的の一面に入射する際、前記イオンビームの入射方向と前記散乱イオンビームの出射方向の両者を含む散乱面に対して、磁場の方向が80°以上100°以下の方向となるように、前記標的に磁場を印加することを特徴とする電子スピン偏極イオンビーム発生方法。
(1) A step of generating an ion beam composed of rare gas element ions, a step of emitting the scattered ion beam by making the ion beam incident on one surface of the target, and taking the scattered ion beam into an electrostatic analyzer A method of generating an electron spin polarized ion beam by applying an electric field, wherein the ion beam is incident when the ion beam is incident on one surface of the target. versus the scattering plane including both the emission direction of the scattered ion beam to the direction, so that the direction of the magnetic field is the direction of 80 ° to 100 °, electrons and applying a magnetic field to said target Spin-polarized ion beam generation method.

(2)プラズマ法により、希ガス元素イオンを発生させることを特徴とする(1)に記載の電子スピン偏極イオンビーム発生方法。
(3)前記希ガス元素がHeであることを特徴とする(1)又は(2)に記載の電子スピン偏極イオンビーム発生方法。
(4)前記イオンビームの入射エネルギーが1keV以上30keV以下であり、散乱角が150°であり、入射角が0°であることを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載の電子スピン偏極イオンビーム発生方法。
(2) The method of generating an electron spin polarized ion beam according to (1), wherein rare gas element ions are generated by a plasma method.
(3) The method of generating an electron spin polarized ion beam according to (1) or (2), wherein the rare gas element is He.
(4) the ion beam is at the incident energy is 3 0ke V inclusive 1keV the scattering angle is 0.99 °, to one of, wherein the incident angle is 0 ° (1) ~ (3) The electron spin polarized ion beam generation method described.

(5)入射角が0°であり、前記標的が、原子番号50番以上の元素群から選択される一の材料を有することを特徴とする(4)に記載の電子スピン偏極イオンビーム発生方法。
(6)前記標的が、Sn、Au、Pb、Biの群から選択される一の材料を有することを特徴とする(5)に記載の電子スピン偏極イオンビーム発生方法。
(7)前記イオンビームの入射エネルギーが1.57keVであり、散乱角が60°以上90°以下又は110°以上150°以下の範囲内であり、入射角が(180°−散乱角)/2であり、前記標的がAuであることを特徴とする(1)に記載の電子スピン偏極イオンビーム発生方法。
(5) The electron spin polarized ion beam generation according to (4), wherein the incident angle is 0 °, and the target has one material selected from an element group having an atomic number of 50 or more. Method.
(6) The method of generating an electron spin polarized ion beam according to (5), wherein the target includes one material selected from the group consisting of Sn, Au, Pb, and Bi.
(7) The incident energy of the ion beam is 1.57 keV, the scattering angle is in the range of 60 ° to 90 ° or 110 ° to 150 °, and the incident angle is (180 ° −scattering angle) / 2. And the target is Au, The method of generating an electron spin polarized ion beam according to (1) .

(8)前記イオンビームの入射エネルギーが1.57keVであり、散乱角が25°以上140°以下の範囲内であり、入射角が(180°−散乱角)/2であり、前記標的がPbであることを特徴とする(1)に記載の電子スピン偏極イオンビーム発生方法。
(9)希ガス元素の種類、標的材料の種類、入射エネルギー値、入射角、出射角、散乱角を同一にして、光ポンピング法による電子スピン偏極イオンビームのスピン非対称率を測定する工程を有することを特徴とする(1)〜(8)のいずれかに記載の電子スピン偏極イオンビーム発生方法。
(8) The incident energy of the ion beam is 1.57 keV, the scattering angle is in the range of 25 ° to 140 °, the incident angle is (180 ° −scattering angle) / 2, and the target is Pb. (1) The electron spin polarized ion beam generation method according to (1) .
(9) A step of measuring the spin asymmetry rate of an electron spin-polarized ion beam by an optical pumping method with the same kind of rare gas element, kind of target material, incident energy value, incident angle, outgoing angle, and scattering angle. The method of generating an electron spin polarized ion beam according to any one of (1) to (8), comprising:

(10)真空槽と、イオンビーム発生部と、前記真空槽と前記イオンビーム発生部とを連結するビームラインと、前記真空槽、前記イオンビーム発生部及び前記ビームラインを取り囲むように配置した3軸コイルと、を備えた電子スピン偏極イオンビーム発生装置であって、前記真空槽内には略板状の標的と静電アナライザが配置されており、前記標的は、回転制御機構により、標的の一面に平行な回転軸を中心に回転可能とされており、前記静電アナライザは、移動制御機構により前記標的の回転軸を中心として回転移動可能とされており、前記3軸コイルに通電する電流を調整することにより、前記標的に磁場を印加可能とされており、前記3軸コイルは、前記磁場の方向が、前記イオンビーム発生部から発生されたイオンビームが前記標的に入射する入射方向と、前記標的で散乱された前記イオンビームが出射する出射方向の両者を含む散乱面に対して、80°以上100°以下の方向となるように、前記標的に磁場を印加することを特徴とする電子スピン偏極イオンビーム発生装置。
(10) A vacuum chamber, an ion beam generation unit, a beam line connecting the vacuum chamber and the ion beam generation unit, and a vacuum chamber, the ion beam generation unit, and the beam line 3 are arranged so as to surround the vacuum chamber, the ion beam generation unit, and the beam line. An electron spin polarized ion beam generator having a shaft coil, wherein a substantially plate-like target and an electrostatic analyzer are disposed in the vacuum chamber, and the target is controlled by a rotation control mechanism. The electrostatic analyzer can be rotated about the target rotational axis by a movement control mechanism, and the three-axis coil is energized. by adjusting the current, the being capable applying a magnetic field to the target, the three-axis coil, the direction of the magnetic field, the ion beam generated from the ion beam generator wherein The magnetic field is applied to the target so as to be in the direction of 80 ° or more and 100 ° or less with respect to the scattering surface including both the incident direction of incident light and the exit direction of emission of the ion beam scattered by the target. electron spin polarized ion beam generator, wherein the applied child.

(11)前記静電アナライザが、筒部と前記筒部を取り囲むように配置された電界印加部材とからなり、前記筒部内でイオンビームに電界印加可能とされていることを特徴とする(10)に記載の電子スピン偏極イオンビーム発生装置。
(12)前記イオンビーム発生部が、希ガス元素ガス導入管が接続されたRF放電管であることを特徴とする(10)又は(11)に記載の電子スピン偏極イオンビーム発生装置。
(11) The electrostatic analyzer includes a cylindrical portion and an electric field applying member disposed so as to surround the cylindrical portion, and an electric field can be applied to the ion beam in the cylindrical portion (10). The electron spin polarized ion beam generator described in (1).
(12) The electron spin polarized ion beam generator according to (10) or (11), wherein the ion beam generator is an RF discharge tube to which a rare gas element gas introduction tube is connected.

本発明の電子スピン偏極イオンビーム発生方法は、希ガス元素イオンからなるイオンビームを発生させる工程と、前記イオンビームを標的の一面に入射して、散乱イオンビームを出射させる工程と、前記散乱イオンビームを静電アナライザ内に取り込んで、電界を印加して、電子スピン偏極イオンビームを発生させる工程と、を有する電子スピン偏極イオンビーム発生方法であって、前記イオンビームを標的の一面に入射する際、前記イオンビームの入射方向と前記散乱イオンビームの出射方向の両者を含む散乱面に対して、磁場の方向が80°以上100°以下の方向となるように、前記標的に磁場を印加する構成なので、光ポンピング法を用いず、スピン偏極率の絶対値が0.05以上である電子スピン偏極イオンビームを発生させることができる。
The method of generating an electron spin polarized ion beam according to the present invention includes a step of generating an ion beam composed of rare gas element ions, a step of emitting the scattered ion beam by making the ion beam incident on one surface of the target, and the scattering A method of generating an electron spin-polarized ion beam by taking an ion beam into an electrostatic analyzer and applying an electric field to generate the electron spin-polarized ion beam. When the light is incident on the target, the magnetic field is applied to the target so that the direction of the magnetic field is 80 ° or more and 100 ° or less with respect to the scattering surface including both the incident direction of the ion beam and the emitting direction of the scattered ion beam. Since the field is applied, an electron spin-polarized ion beam having an absolute value of spin polarization of 0.05 or more is generated without using the optical pumping method. Can do.

本発明の電子スピン偏極イオンビーム発生装置は、真空槽と、イオンビーム発生部と、前記真空槽と前記イオンビーム発生部とを連結するビームラインと、前記真空槽、前記イオンビーム発生部及び前記ビームラインを取り囲むように配置した3軸コイルと、を備えた電子スピン偏極イオンビーム発生装置であって、前記真空槽内には略板状の標的と静電アナライザが配置されており、前記標的は、回転制御機構により、標的の一面に平行な回転軸を中心に回転可能とされており、前記静電アナライザは、移動制御機構により前記標的の回転軸を中心として回転移動可能とされており、前記3軸コイルに通電する電流を調整
することにより、前記標的に磁場を印加可能とされており、前記3軸コイルは、前記磁場の方向が、前記イオンビーム発生部から発生されたイオンビームが前記標的に入射する入射方向と、前記標的で散乱された前記イオンビームが出射する出射方向の両者を含む散乱面に対して、80°以上100°以下の方向となるように、前記標的に磁場を印加する構成なので、光ポンピング法を用いず、スピン偏極率の絶対値が0.05以上である電子スピン偏極イオンビームを発生させることができる。
An electron spin polarized ion beam generator according to the present invention includes a vacuum chamber, an ion beam generator, a beam line connecting the vacuum chamber and the ion beam generator, the vacuum chamber, the ion beam generator, and An electron spin polarized ion beam generator provided with a three-axis coil arranged so as to surround the beam line, and a substantially plate-like target and an electrostatic analyzer are arranged in the vacuum chamber, The target can be rotated about a rotation axis parallel to one surface of the target by a rotation control mechanism, and the electrostatic analyzer can be rotated about the rotation axis of the target by a movement control mechanism. and, by adjusting the current supplied to the three-axis coil, said target being capable applying a magnetic field to the three-axis coil, the direction of the magnetic field, the ion beam A direction of 80 ° or more and 100 ° or less with respect to a scattering surface including both an incident direction in which an ion beam generated from a raw part enters the target and an exit direction in which the ion beam scattered by the target exits. Thus, since the magnetic field is applied to the target , an electron spin-polarized ion beam having an absolute value of the spin polarization of 0.05 or more can be generated without using an optical pumping method.

本発明の電子スピン偏極イオンビーム発生装置の一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of the electron spin polarization ion beam generator of this invention. イオンビーム発生部で発生させたイオンビームの経路を示す図である。It is a figure which shows the path | route of the ion beam produced | generated by the ion beam generation part. 標的と磁場方向とイオンビームの照射方向・散乱方向の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a target, a magnetic field direction, the irradiation direction of an ion beam, and a scattering direction. 静電アナライザを示す図であって、図4(a)は平面図であり、図4(b)は図4(a)のA−A’線における断面図である。4A and 4B are diagrams illustrating an electrostatic analyzer, in which FIG. 4A is a plan view, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line A-A ′ of FIG. 散乱イオンの運動エネルギーの関数として得られたスピン非対称率A(He+、Au、1.54、0、30、150)を示すグラフ及び散乱イオンの運動エネルギーと散乱イオン強度I(積算値)との関係を示すISSスペクトルを示すグラフである。A graph showing the spin asymmetry A (He +, Au, 1.54, 0, 30, 150) obtained as a function of the kinetic energy of the scattered ions, and the kinetic energy of the scattered ions and the scattered ion intensity I (integrated value) . It is a graph which shows the ISS spectrum which shows a relationship. スピン偏極率PHe+(OUTPUT)と標的材料の原子番号の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between spin-polarization rate PHe + (OUTPUT) and the atomic number of a target material. スピン偏極率PHe+(OUTPUT)と入射エネルギーの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between spin-polarization rate PHe + (OUTPUT) and incident energy. スピン偏極率PHe+(OUTPUT)と散乱角θとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between spin-polarization rate PHe + (OUTPUT) and scattering angle ( theta ) .

(本発明の実施形態)
<電子スピン偏極イオンビーム発生装置>
まず、本発明の実施形態である電子スピン偏極イオンビーム発生装置について説明する。
図1は、本発明の実施形態である電子スピン偏極イオンビーム発生装置の一例を示す斜視図である。
図1に示すように、本発明の実施形態である電子スピン偏極イオンビーム発生装置51は、真空槽10と、イオンビーム発生部1と、を備えて概略構成されている。
真空槽10及びイオンビーム発生部1は、3軸コイル11により、取り囲まれている。3軸コイル11は、一辺Lの長さで、立方体状に形成されており、3軸コイル11に流す電流を調整して、例えば、イオンビーム発生部1から真空槽10までの磁場の方向を、図1に示す鉛直方向とし、その大きさは約3×10−5Tとなるようにする。一辺Lの長さは、例えば、2mである。
(Embodiment of the present invention)
<Electron spin polarized ion beam generator>
First, an electron spin polarized ion beam generator according to an embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 is a perspective view showing an example of an electron spin polarized ion beam generator according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, an electron spin polarized ion beam generator 51 according to an embodiment of the present invention is schematically configured to include a vacuum chamber 10 and an ion beam generator 1.
The vacuum chamber 10 and the ion beam generator 1 are surrounded by a triaxial coil 11. The triaxial coil 11 has a length of one side L and is formed in a cubic shape. The current flowing through the triaxial coil 11 is adjusted, for example, to change the direction of the magnetic field from the ion beam generator 1 to the vacuum chamber 10. The vertical direction shown in FIG. 1 is set to be about 3 × 10 −5 T. The length of one side L is 2 m, for example.

イオンビーム発生部1は、真空槽10にビームライン6により連結されている。ビームライン6には、真空ポンプ(図示略)に接続された排気管7、8が接続されており、真空槽10、ビームライン6及びイオンビーム発生部1の内部をベースプレッシャーが5×10−11Torr以下となるように減圧可能とされている。 The ion beam generator 1 is connected to a vacuum chamber 10 by a beam line 6. Exhaust pipes 7 and 8 connected to a vacuum pump (not shown) are connected to the beam line 6, and the base pressure is 5 × 10 inside the vacuum chamber 10, the beam line 6, and the ion beam generator 1. The pressure can be reduced to 11 Torr or less.

イオンビーム発生部1は、希ガス元素ガス導入管2及び排気管3が接続されたRF放電管である。希ガス元素ガス導入管2から導入された希ガスを放電処理してプラズマ化することにより、希ガス元素をイオン化可能とされている。
なお、イオンビーム発生部1はRF放電管に限られるものではなく、希ガス元素をイオン化可能な機器であればよい。
The ion beam generator 1 is an RF discharge tube to which a rare gas element gas introduction tube 2 and an exhaust tube 3 are connected. The noble gas element can be ionized by discharging the noble gas introduced from the noble gas element gas introduction pipe 2 into plasma.
The ion beam generator 1 is not limited to the RF discharge tube, but may be any device that can ionize a rare gas element.

イオンビーム発生部1は、光透過性の高い材料で形成されている。これにより、希ガス元素イオンに2種類の光4、5を照射する光ポンピング法により、希ガス元素をスピン偏極可能とされている。本構成を備えることにより、光ポンピング法によりスピン偏極率を容易に得ることができる。更に、そのスピン偏極率を元に、本発明の実施形態である電子スピン偏極イオンビーム発生方法、装置により得られたスピン偏極率の値を容易に算出することができる。
しかし、本発明の実施形態では、真空槽10内のスピン偏極器で希ガス元素イオンのスピン偏極が可能なため、電子スピン偏極イオンビーム発生させる方法、装置には、本構成(イオンビーム発生部1を光透過性の高い材料で形成する構成)は必要ない。本発明の実施形態である電子スピン偏極イオンビーム発生方法、装置により得られたスピン偏極率の値は、別の手段により得たスピン偏極率を元に算出してもよい。
The ion beam generator 1 is made of a material having high light transmittance. Thereby, the rare gas element can be spin-polarized by the optical pumping method in which the rare gas element ions are irradiated with two kinds of light 4 and 5. With this configuration, the spin polarization can be easily obtained by the optical pumping method. Furthermore, based on the spin polarization, the value of the spin polarization obtained by the electron spin polarization ion beam generation method and apparatus according to the embodiment of the present invention can be easily calculated.
However, in the embodiment of the present invention, since the spin polarization of the rare gas element ion is possible with the spin polarizer in the vacuum chamber 10, the method and apparatus for generating the electron spin polarized ion beam include this configuration (ion The configuration in which the beam generating unit 1 is formed of a material having high light transmittance is not necessary. The value of the spin polarization obtained by the electron spin polarized ion beam generation method and apparatus according to the embodiment of the present invention may be calculated based on the spin polarization obtained by another means.

希ガス元素としては、例えば、ヘリウム(He)を用いることができる。Heイオンからなるイオンビームは取り扱いが容易である。しかし、これに限られるものではなく、Ne、Ar、Kr、Xe等を用いてもよい。 As the rare gas element, for example, helium (He) can be used. An ion beam made of He + ions is easy to handle. However, the present invention is not limited to this, and Ne, Ar, Kr, Xe, or the like may be used.

ビームライン6には、電界印加機構(図示略)が備えられており、イオンビーム発生部1から真空槽10方向に希ガス元素イオンを電界印加して加速することにより、イオンビームとすることができる。 The beam line 6 is provided with an electric field application mechanism (not shown). By applying a rare gas element ion in the direction of the vacuum chamber 10 from the ion beam generator 1 and accelerating it, an ion beam can be obtained. it can.

真空槽10の上部には、回転制御機構(標的マニュピュレータ)9が備えられている。回転制御機構9を回転させることにより、真空槽10内の標的を一定の回転軸の周りに回転させることができる構成とされている。 A rotation control mechanism (target manipulator) 9 is provided in the upper part of the vacuum chamber 10. By rotating the rotation control mechanism 9, the target in the vacuum chamber 10 can be rotated around a certain rotation axis.

図2は、イオンビーム発生部で発生させたイオンビームの経路を示す図である。
図2に示すように、真空槽10内にはスピン偏極器14が設置されている。スピン偏極器14は、略板状の標的12と静電アナライザ13とからなる。
標的12には、真空槽10を取り囲むように配置した3軸コイル11により、磁場が印加可能とされている。
FIG. 2 is a diagram showing a path of an ion beam generated by the ion beam generator.
As shown in FIG. 2, a spin polarizer 14 is installed in the vacuum chamber 10. The spin polarizer 14 includes a substantially plate-like target 12 and an electrostatic analyzer 13.
A magnetic field can be applied to the target 12 by a triaxial coil 11 disposed so as to surround the vacuum chamber 10.

標的12は、回転制御機構(標的マニュピュレータ)9を回転させて回転軸gを中心として回転可能とされている。この回転軸gは、入射方向と出射方向の両者を含む散乱面に対して垂直である。
静電アナライザ13は、移動制御機構(図示略)により標的12の回転軸gを中心として、開口部13c1aが標的12を向いたまま、回転移動可能とされている。つまり、標的12の回転軸gと同軸上で移動可能とされている。
The target 12 can be rotated about the rotation axis g by rotating the rotation control mechanism (target manipulator) 9. The rotation axis g is perpendicular to the scattering plane including both the incident direction and the outgoing direction.
The electrostatic analyzer 13 can be rotated and moved around the rotation axis g of the target 12 with the opening 13c1a facing the target 12 by a movement control mechanism (not shown). That is, it is movable on the same axis as the rotation axis g of the target 12.

標的12の材料としては、全ての元素を用いることが出来る。原理となるスピン軌道相互作用は、標的の原子核に電荷があれば働くためである。少なくとも、珪素、銅、亜鉛、銀、スズ、金、鉛、ビスマスとした時には電子スピン偏極イオンビームを発生させることができる。
例えば、単結晶金(Au)を用いた場合、その(111)面をイオンビームの照射面とする。
As the material for the target 12, all elements can be used. This is because the spin-orbit interaction, which is the principle, works if the target nucleus has a charge. When at least silicon, copper, zinc, silver, tin, gold, lead, and bismuth are used, an electron spin polarized ion beam can be generated.
For example, when single crystal gold (Au) is used, the (111) plane is set as an ion beam irradiation surface.

標的12の材料としては、原子番号の大きいものが好ましい。原子番号の大きい材料を用いることにより、スピン偏極度を向上させることができる。 As the material of the target 12, a material having a large atomic number is preferable. By using a material having a large atomic number, the spin polarization can be improved.

イオンビーム発生部1で発生させたイオンビームは、ビームライン6内を電界移動され、真空槽10内の標的12の一面12aに照射される。
標的12の一面12aで散乱されたイオンビームは、静電アナライザ13の開口部13c1aから内部に取り込まれる。
静電アナライザ13内では、イオンビームが電界印加処理されて、弾性散乱に相当する運動エネルギーを有するイオンビームが取り出されることで電子スピン偏極イオンビームとされてから、開口部13c2bから放出される。
The ion beam generated by the ion beam generator 1 is subjected to electric field movement in the beam line 6 and irradiated onto the one surface 12 a of the target 12 in the vacuum chamber 10.
The ion beam scattered by the one surface 12a of the target 12 is taken into the inside through the opening 13c1a of the electrostatic analyzer 13.
In the electrostatic analyzer 13, the ion beam is subjected to an electric field application process, and an ion beam having kinetic energy corresponding to elastic scattering is taken out to be an electron spin-polarized ion beam, which is then emitted from the opening 13 c 2 b. .

静電アナライザ13の下部には、2次電子増倍管15が設置されている。2次電子増倍管15は、静電アナライザ13から放出されるイオンビームを取り込んで、Heイオンの出力信号を測定可能とされている。
2次電子増倍管15には、プリアンプ(図示略)が接続され、出力信号を増幅できる構成とされている。前記プリアンプには、カウンタボードを介してコンピュータが接続され、前記出力信号をコンピュータで処理できる構成とされている。
なお、2次電子増倍管15は、取り外し可能で、2次電子増倍管15の代わりに試料を配置できる構成とされている。試料を配置することにより、電子スピン偏極イオンビームを試料に照射して、試料の固体表面分析が可能とされている。
A secondary electron multiplier 15 is installed below the electrostatic analyzer 13. The secondary electron multiplier 15 can measure the output signal of He + ions by taking in the ion beam emitted from the electrostatic analyzer 13.
A preamplifier (not shown) is connected to the secondary electron multiplier 15 so that an output signal can be amplified. A computer is connected to the preamplifier via a counter board so that the output signal can be processed by the computer.
The secondary electron multiplier 15 can be removed, and a sample can be arranged instead of the secondary electron multiplier 15. By arranging the sample, it is possible to analyze the solid surface of the sample by irradiating the sample with an electron spin polarized ion beam.

図3は、標的と磁場方向とイオンビームの照射方向・散乱方向の一例を示す図である。
図3に示すように、標的12の一面12aの法線方向は、磁場方向と略垂直方向となるように設定されている。イオンビームの入射角α、出射角β、散乱角θが表示されている。入射方向と出射方向の両者を含む面(散乱面)は、法線方向に平行となるように調整されている。
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a target, a magnetic field direction, and an ion beam irradiation direction / scattering direction.
As shown in FIG. 3, the normal direction of the one surface 12a of the target 12 is set to be substantially perpendicular to the magnetic field direction. An incident angle α, an outgoing angle β, and a scattering angle θ of the ion beam are displayed. A plane (scattering plane) including both the incident direction and the outgoing direction is adjusted to be parallel to the normal direction.

3軸コイルのコイル電流を調整することにより、標的12の一面12aの法線方向を、磁場方向に略垂直な方向に設定可能とされている。
標的12を回転させることにより、入射角αを0°以上90°未満の範囲で設定できる。また、静電アナライザ13を移動させることにより、散乱角θを0°以上180°未満の範囲で設定できる。出射角βは、入射角αと散乱角θを設定することにより、決定される。
By adjusting the coil current of the three-axis coil, the normal direction of the one surface 12a of the target 12 can be set in a direction substantially perpendicular to the magnetic field direction.
By rotating the target 12, the incident angle α can be set in the range of 0 ° or more and less than 90 °. Further, by moving the electrostatic analyzer 13, the scattering angle θ can be set in a range of 0 ° to less than 180 °. The exit angle β is determined by setting the incident angle α and the scattering angle θ.

磁場方向は、イオンビームの入射方向と散乱イオンビームの出射方向の両者を含む散乱面に略垂直な方向であることが好ましい。これにより、スピン軌道相互作用を最大にでき、得られるスピン偏極率を最大にできるためである。
具体的には、標的12の一面12aの法線方向に対して、磁場方向を80°以上100°以下の方向とすることが好ましく、磁場方向を85°以上95°以下の方向とすることがより好ましく、90°とすることが更に好ましい。
なお、磁場方向は、散乱面に平行な方向でなければよい。磁場方向と散乱面が平行でない限りスピン軌道相互作用が発生するためである。
The magnetic field direction is preferably a direction substantially perpendicular to the scattering plane including both the incident direction of the ion beam and the emitting direction of the scattered ion beam. This is because the spin-orbit interaction can be maximized and the obtained spin polarization can be maximized.
Specifically, the direction of the magnetic field is preferably 80 ° or more and 100 ° or less with respect to the normal direction of the one surface 12a of the target 12, and the direction of the magnetic field is 85 ° or more and 95 ° or less. More preferably, it is more preferably 90 °.
The magnetic field direction need not be a direction parallel to the scattering surface. This is because spin-orbit interaction occurs unless the magnetic field direction and the scattering surface are parallel.

図4は、静電アナライザ13の一例を示す図であって、図4(a)は平面図であり、図4(b)は図4(a)のA−A’線における断面図である。
図4(a)に示すように、静電アナライザ13は、平面視略矩形状の部材13a、13bが連結されてなる。平面視略矩形状の部材13a、13bには、それぞれ筒部13c1、13c2が設けられている。
4A and 4B are diagrams illustrating an example of the electrostatic analyzer 13, in which FIG. 4A is a plan view, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG. .
As shown in FIG. 4A, the electrostatic analyzer 13 is formed by connecting members 13a and 13b having a substantially rectangular shape in plan view. Cylindrical portions 13c1 and 13c2 are provided on the substantially rectangular members 13a and 13b in plan view, respectively.

図4(b)に示すように、側面視半円状の部材13aと、側面視1/4円(扇)状の13bが、筒部13c1、13c2を連通させるように結合されている。
部材13aは、電界印加部材13a1、13a2からなり、絶縁部材(図示略)が挟持されている。これにより、電界印加部材13a1、13a2の間で電界を印加可能とされており、電界の方向及び大きさを操作することにより、特定の運動エネルギーを持ったイオンビームが筒部13c1内を通過できる。
As shown in FIG. 4B, a side view semicircular member 13a and a side view 1/4 circle (fan) shape 13b are coupled so as to communicate the cylindrical portions 13c1 and 13c2.
The member 13a includes electric field applying members 13a1 and 13a2, and an insulating member (not shown) is sandwiched. Thus, an electric field can be applied between the electric field applying members 13a1 and 13a2, and an ion beam having a specific kinetic energy can pass through the cylindrical portion 13c1 by manipulating the direction and magnitude of the electric field. .

同様に、部材13bは、電界印加部材13b1、13b2からなり、絶縁部材(図示略)が挟持されている。これにより、電界印加部材13b1、13b2の間で電界を印加可能とされており、電界の方向及び大きさを操作することにより、特定の運動エネルギーを持ったイオンビームが筒部13c2内を通過可能できる。 Similarly, the member 13b includes electric field applying members 13b1 and 13b2, and an insulating member (not shown) is sandwiched therebetween. As a result, an electric field can be applied between the electric field applying members 13b1 and 13b2, and an ion beam having specific kinetic energy can pass through the cylindrical portion 13c2 by manipulating the direction and magnitude of the electric field. it can.

標的12で散乱されたHeイオンは、開口部13c1aから静電アナライザ13内に取り込まれてから、静電アナライザ13内で掃引電圧によりエネルギー分別され、弾性散乱に相当する運動エネルギーを有するイオンビームが取り出されることで電子スピン偏極イオンビームとされ、他方の開口部13c2bから放射される。 The He + ions scattered by the target 12 are taken into the electrostatic analyzer 13 from the opening 13c1a, and then the energy is fractionated by the sweep voltage in the electrostatic analyzer 13, and the ion beam has a kinetic energy corresponding to elastic scattering. Is extracted into an electron spin-polarized ion beam and emitted from the other opening 13c2b.

<電子スピン偏極イオンビーム発生方法>
次に、本発明の実施形態である電子スピン偏極Heイオンビームの発生方法について説明する。
本発明の実施形態である電子スピン偏極Heイオンビームの発生方法は、イオンビーム発生工程S1と、散乱イオンビーム発生工程S2と、電子スピン偏極イオンビーム発生工程S3と、を有する。
<Method of generating electron spin polarized ion beam>
Next, a method for generating an electron spin polarized He + ion beam according to an embodiment of the present invention will be described.
An electron spin polarized He + ion beam generating method according to an embodiment of the present invention includes an ion beam generating step S1, a scattered ion beam generating step S2, and an electron spin polarized ion beam generating step S3.

(イオンビーム発生工程S1)
まず、3軸コイルを調整して、Heイオン源から真空槽までの磁場方向が、鉛直方向に平行で、その大きさが1×10−6T以上1×10−4Tの範囲となるように調整する。
(Ion beam generation step S1)
First, the triaxial coil is adjusted so that the magnetic field direction from the He + ion source to the vacuum chamber is parallel to the vertical direction, and the size is in the range of 1 × 10 −6 T to 1 × 10 −4 T. Adjust as follows.

標的材料は、先に記載した材料のいずれかの材料であり、Mで表記する。
例えば、単結晶金(Au)を用い、以下の工程では、その(111)面をイオンビームの照射面とするように、(111)面を標的の回転軸と平行となる様に真空槽内に標的を配置する。この配置では、入射方向と出射方向の両者を含む面(散乱面)が標的表面の法線方向と平行になっている。
The target material is any of the materials described above and is denoted by M.
For example, single crystal gold (Au) is used, and in the following process, the (111) plane is set in the vacuum chamber so that the (111) plane is parallel to the target rotation axis so that the (111) plane is the ion beam irradiation surface. Place the target on. In this arrangement, the plane (scattering plane) including both the incident direction and the outgoing direction is parallel to the normal direction of the target surface.

次に、磁場方向が散乱面と垂直となるように磁場補正用3軸コイルを調整する。
これにより、標的の一面の法線方向に対して、磁場方向が80°以上100°以下の方向となるようにし、入射角α、出射角β、散乱角θを所定の値とする。
Next, the magnetic field correcting triaxial coil is adjusted so that the magnetic field direction is perpendicular to the scattering surface.
As a result, the magnetic field direction is in the range of 80 ° to 100 ° with respect to the normal direction of one surface of the target, and the incident angle α, the outgoing angle β, and the scattering angle θ are set to predetermined values.

次に、真空槽内、ビームライン内、RF放電管内を、真空ポンプで減圧状態とする。例えば、ベースプレッシャーを5×10−11Torr以下の超高真空とする。 Next, the vacuum chamber, the beam line, and the RF discharge tube are depressurized by a vacuum pump. For example, the base pressure is set to an ultrahigh vacuum of 5 × 10 −11 Torr or less.

次に、RF放電管内にヘリウムガスを希ガス元素ガス導入口から導入する。また、希ガス元素ガス排気口から排気を行い、例えば、RF放電管中のヘリウム圧力を約20Paとなるように調整する。 Next, helium gas is introduced into the RF discharge tube from the rare gas element gas inlet. Further, exhaust is performed from the rare gas element gas exhaust port, and for example, the helium pressure in the RF discharge tube is adjusted to about 20 Pa.

次に、RF出力を1W〜10Wの範囲のいずれかの値にしてHeガスを放電して、RF放電管中にヘリウムプラズマを発生させて、無偏極のHeイオンを発生させる。 Next, the He gas is discharged by setting the RF output to any value in the range of 1 W to 10 W, and helium plasma is generated in the RF discharge tube to generate unpolarized He + ions.

次に、標的の一面を、超高真空中での加熱処理とイオンビームスパッタリングの組み合わせにより、清浄化する。標的表面の清浄性は、静電アナライザを用いた散乱イオンの分光(イオン散乱分光法(ISS))で標的の材料の弾性散乱イオンピークのみが観測されるか否かにより確認する。 Next, one surface of the target is cleaned by a combination of heat treatment in ultrahigh vacuum and ion beam sputtering. The cleanliness of the target surface is confirmed by whether or not only the elastically scattered ion peak of the target material is observed by scattering ion spectroscopy (ion scattering spectroscopy (ISS)) using an electrostatic analyzer.

(散乱イオンビーム発生工程S2)
次に、ビームラインに電界を印加し、無偏極のHeイオンを加速して真空槽の中に設置したスピン偏極器まで輸送し、Heイオンからなるイオンビームを入射エネルギーEで、真空槽内のスピン偏極器内の標的に照射する。
Heイオンは標的で散乱されて、散乱イオンビームを発生させる。
(Scattered ion beam generation step S2)
Next, an electric field is applied to the beam line, unpolarized He + ions are accelerated and transported to a spin polarizer installed in a vacuum chamber, and an ion beam composed of He + ions is incident with energy E. Irradiate the target in the spin polarizer in the vacuum chamber.
He + ions are scattered at the target, generating a scattered ion beam.

散乱角を150°とし、入射角を0°とした場合、入射エネルギーEは1keV以上30keV以下とすることが好ましい。入射エネルギーEを1keV以上とすることにより、効率的なスピン軌道相互作用によって、スピン偏極イオンビームを効率よく発生させることができる。入射エネルギーEが30keV以上とすると、イオン散乱におけるスピン軌道相互作用が示されるか不明である。
The scattering angle and 0.99 °, if the incident angle is 0 °, the incident energy E is preferably set to 3 0ke V less than 1 keV. By setting the incident energy E to 1 keV or more, a spin-polarized ion beam can be efficiently generated by efficient spin-orbit interaction. If the incident energy E is 30 keV or higher, it is unclear whether spin-orbit interaction in ion scattering is shown.

散乱角を150°とし、入射角を0°とし、入射エネルギーEを1keV以上30keV以下とした場合、標的は原子番号50番以上の元素群から選択される一の材料を有することが好ましい。特に、標的が、Sn、Au、Pb、Biの群から選択される一の材料を有することが好ましい。スピン偏極率の絶対値が0.05以上にすることができる。
The scattering angle and 0.99 °, angle of incidence was set at 0 °, if the incident energy E was 3 0ke V less than 1 keV, the target preferably has one material selected from atomic number 50 No. of element groups . In particular, it is preferred that the target has one material selected from the group of Sn, Au, Pb, Bi. The absolute value of the spin polarization can be made 0.05 or more.

前記イオンビームの入射エネルギーを1.57keVとし、標的をAuとした場合、散乱角が60°以上90°以下又は110°以上150°以下の範囲内であり、入射角が(180°−散乱角)/2であることが好ましい。スピン偏極率の絶対値が0.05以上にすることができる。 When the incident energy of the ion beam is 1.57 keV and the target is Au, the scattering angle is in the range of 60 ° to 90 ° or 110 ° to 150 °, and the incident angle is (180 ° −scattering angle). ) / 2. The absolute value of the spin polarization can be made 0.05 or more.

前記イオンビームの入射エネルギーを1.57keVとし、標的をPbとした場合、散乱角が25°以上140°以下の範囲内であり、入射角が(180°−散乱角)/2であることが好ましい。スピン偏極率の絶対値が0.05以上にすることができる。 When the incident energy of the ion beam is 1.57 keV and the target is Pb, the scattering angle is in the range of 25 ° to 140 °, and the incident angle is (180 ° −scattering angle) / 2. preferable. The absolute value of the spin polarization can be made 0.05 or more.

(電子スピン偏極イオンビーム発生工程S3)
次に、標的で弾性散乱されたHeイオンを、開口部から静電アナライザ内に取り込む。
標的で散乱されたHeイオンは、開口部から静電アナライザ内に取り込まれてから、静電アナライザ内で掃引電圧により、エネルギー分別され、弾性散乱に相当する運動エネルギーを有するイオンビームが取り出されることで、電子スピン偏極イオンビームとされ、他方の開口部から放射される。
希ガス元素イオンとして、Heイオンを用いた場合には、スピン偏極Heイオンビームが他方の開口部から放射される。
(Electron spin polarized ion beam generation step S3)
Next, He + ions elastically scattered by the target are taken into the electrostatic analyzer from the opening.
He + ions scattered by the target are taken into the electrostatic analyzer from the opening, and then the energy is separated by the sweep voltage in the electrostatic analyzer, and an ion beam having a kinetic energy corresponding to elastic scattering is taken out. Thus, an electron spin-polarized ion beam is generated and emitted from the other opening.
When He + ions are used as the rare gas element ions, a spin-polarized He + ion beam is emitted from the other opening.

(電子スピン偏極イオンビームのスピン偏極率算出工程S4)
静電アナライザ内を通過したスピン偏極Heイオンの出力信号(散乱イオン強度I(積算値))を、静電アナライザの下部に設置した2次電子増倍管で所定時間測定する。前記所定時間は100秒以上10000秒以内とする。前記所定時間が100秒未満では、評価可能な測定データが得られない。一方、10000秒を超える場合には、標的の特性が劣化する恐れが発生する。
(Spin Polarization Ratio Calculation Step S4 of Electron Spin Polarized Ion Beam)
An output signal (scattered ion intensity I (integrated value) ) of spin-polarized He + ions that have passed through the electrostatic analyzer is measured for a predetermined time with a secondary electron multiplier installed at the bottom of the electrostatic analyzer. The predetermined time is not less than 100 seconds and not more than 10,000 seconds. If the predetermined time is less than 100 seconds, evaluation data that can be evaluated cannot be obtained. On the other hand, if it exceeds 10,000 seconds, there is a possibility that the characteristics of the target deteriorate.

次に、測定データをプリアンプで増幅してから、カウンタボードを用いて計数し、コンピュータで処理して、散乱イオン強度I(積算値)を算出する。
散乱イオン強度I(積算値)は、散乱イオン運動エネルギーの関数として得られ、ISSスペクトルを与える。散乱イオンの運動エネルギーは、静電アナライザの掃引電圧の関数として与えられる。
Next, the measurement data is amplified by a preamplifier, then counted using a counter board, and processed by a computer to calculate scattered ion intensity I (integrated value) .
Scattered ion intensity I (integrated value) is obtained as a function of scattered ion kinetic energy and gives an ISS spectrum. The kinetic energy of the scattered ions is given as a function of the electrostatic analyzer sweep voltage.

散乱イオン強度I(積算値)のピーク値を与える散乱イオンの運動エネルギーにおけるスピン非対称率A(He+、M、E、α、β、θ)から、スピン偏極Heイオンビームのスピン偏極率PHe+(OUTPUT)が得られる。
スピン非対称率A(He+、M、E、α、β、θ)は、Heイオンビームを用い、標的として材料Mを用い、入射エネルギーをEとし、入射角α、出射角β、散乱角θとした場合のスピン非対称率である。
From the spin asymmetry A (He +, M, E, α, β, θ) at the kinetic energy of the scattered ion that gives the peak value of the scattered ion intensity I (integrated value) , the spin polarization He + ion beam spin polarization rate P He + (OUTPUT) is obtained.
The spin asymmetry rate A (He +, M, E, α, β, θ) uses a He + ion beam, a material M as a target, an incident energy E, an incident angle α, an outgoing angle β, and a scattering angle θ. Is the spin asymmetry rate.

[スピン非対称率A(He+、M、E、α、β、θ)決定方法]
次に、Heイオンビームのスピン非対称率A決定方法について説明する。
スピン非対称率A決定方法は、例えば、光ポンピング法を用いる。
[Method for determining spin asymmetry A (He +, M, E, α, β, θ) ]
Next, a method for determining the spin asymmetry A of the He + ion beam will be described.
As a method for determining the spin asymmetry A, for example, an optical pumping method is used.

まず、3軸コイルを調整して、Heイオン源から真空槽までの磁場が、鉛直方向に平行で、その大きさが1×10−6T以上1×10−4Tの範囲となるように調整する。 First, the triaxial coil is adjusted so that the magnetic field from the He + ion source to the vacuum chamber is parallel to the vertical direction and the magnitude is in the range of 1 × 10 −6 T to 1 × 10 −4 T. Adjust to.

標的材料は、Mからなる。Mは、先に記載した材料のいずれかの材料である。
例えば、単結晶金(Au)を用い、以下の工程では、その(111)面をイオンビームの照射面とするように、(111)面を標的の回転軸と平行になる様に真空槽内に標的を配置する。この配置では、入射方向と出射方向の両者を含む面(散乱面)が標的表面の法線方向と平行になっている。
The target material consists of M. M is any of the materials described above.
For example, single crystal gold (Au) is used, and in the following steps, the (111) plane is set in the vacuum chamber so that the (111) plane is parallel to the target rotation axis so that the (111) plane is the irradiation surface of the ion beam. Place the target on. In this arrangement, the plane (scattering plane) including both the incident direction and the outgoing direction is parallel to the normal direction of the target surface.

次に、磁場方向が散乱面と垂直となるように磁場補正用3軸コイルを調整する。
これにより、標的の一面の法線方向に対して、磁場方向が80°以上100°以下の方向となるようにし、入射角α、出射角β、散乱角θを所定の値とする。
Next, the magnetic field correcting triaxial coil is adjusted so that the magnetic field direction is perpendicular to the scattering surface.
As a result, the magnetic field direction is in the range of 80 ° to 100 ° with respect to the normal direction of one surface of the target, and the incident angle α, the outgoing angle β, and the scattering angle θ are set to predetermined values.

次に、真空槽内、ビームライン内、RF放電管内を、真空ポンプで減圧状態とする。例えば、ベースプレッシャーを5×10−11Torr以下の超高真空とする。 Next, the vacuum chamber, the beam line, and the RF discharge tube are depressurized by a vacuum pump. For example, the base pressure is set to an ultrahigh vacuum of 5 × 10 −11 Torr or less.

次に、RF放電管内にヘリウムガスを希ガス元素ガス導入口から導入する。また、希ガス元素ガス排気口から排気を行い、例えば、RF放電管中のヘリウム圧力を約20Paとなるように調整する。 Next, helium gas is introduced into the RF discharge tube from the rare gas element gas inlet. Further, exhaust is performed from the rare gas element gas exhaust port, and for example, the helium pressure in the RF discharge tube is adjusted to about 20 Pa.

次に、RF出力を1W〜10Wの範囲としてHeガスを放電して、RF放電管中にヘリウムプラズマを発生させて、Heイオンを発生させる。 Next, the He gas is discharged with an RF output in the range of 1 W to 10 W to generate helium plasma in the RF discharge tube to generate He + ions.

次に、標的の一面を、超高真空中での加熱処理とイオンビームスパッタリングの組み合わせにより、清浄化する。標的表面の清浄性は、静電アナライザを用いた散乱イオンの分光(イオン散乱分光法(ISS))で標的の材料の弾性散乱イオンピークのみが観測されるか否かにより確認する。 Next, one surface of the target is cleaned by a combination of heat treatment in ultrahigh vacuum and ion beam sputtering. The cleanliness of the target surface is confirmed by whether or not only the elastically scattered ion peak of the target material is observed by scattering ion spectroscopy (ion scattering spectroscopy (ISS)) using an electrostatic analyzer.

「円偏光の光ポンピング照射光のヘリシティを右回りにして出力信号を測定する工程」
次に、光ポンピング法により、RF放電管内のHeイオンをスピン偏極させる。
具体的には、直線偏光の光ポンピング照射光と、円偏光の光ポンピング照射光を同時にHeイオンに照射し、スピン偏極Heイオンを発生させる。
円偏光の光ポンピング照射光のヘリシティ(運動方向に対するスピンの向き)を右回りに制御して、スピン偏極Heイオンのスピンの向きを磁場の方向と平行とする。
なお、例えば、これらの光ポンピング照射光の波長は1083nmのD線に調整し、光密度は約0.1W/cmとなるように調整する。
“Process to measure output signal by turning helicity of circularly polarized light pumping light clockwise”
Next, the He + ions in the RF discharge tube are spin-polarized by an optical pumping method.
Specifically, the optical pumping radiation beam of the linearly polarized light, is irradiated with optical pumping radiation light circularly polarized light at the same time He + ions, to generate spin-polarized He + ions.
The helicity of the circularly polarized light pumping irradiation light (the direction of the spin with respect to the direction of motion) is controlled clockwise so that the spin direction of the spin-polarized He + ion is parallel to the direction of the magnetic field.
Incidentally, for example, the wavelength of optical pumping radiation beam is adjusted to D 0 line of 1083 nm, it is adjusted so that the optical density is approximately 0.1 W / cm 2.

次に、ビームラインに電界を印加し、スピン偏極させたHeイオンを加速して真空槽の中に設置したスピン偏極器まで輸送し、Heイオンからなるイオンビームの入射エネルギーをEとして、真空槽内のスピン偏極器内の標的に照射する。 Next, an electric field is applied to the beam line, the spin-polarized He + ions are accelerated and transported to a spin polarizer installed in a vacuum chamber, and the incident energy of the ion beam composed of He + ions is expressed as E The target in the spin polarizer in the vacuum chamber is irradiated.

Heイオンは標的で散乱されてから、静電アナライザ内に取り込まれ、静電アナライザ内を通過し、静電アナライザの下部から放出される。
静電アナライザ内で、標的で散乱されたHeイオンが電界印加されることにより、ある特定の運動エネルギーを持ったHeイオンが静電アナライザを通過する。この特定の運動エネルギーを規定するのが、静電アナライザの掃引電圧である。
スピン偏極Heイオンのスピンの向きを磁場の方向と平行とした場合の、静電アナライザ内を通過したスピン偏極Heイオンの出力信号(散乱イオン強度I↑(1回目))を、静電アナライザの下部に設置した2次電子増倍管で所定時間測定する。
所定時間は、例えば、10秒間である。
He + ions are scattered by the target and then taken into the electrostatic analyzer, pass through the electrostatic analyzer, and are emitted from the bottom of the electrostatic analyzer.
In the electrostatic analyzer, He + ions scattered by the target are applied with an electric field, so that He + ions having a specific kinetic energy pass through the electrostatic analyzer. It is the sweep voltage of the electrostatic analyzer that defines this specific kinetic energy.
When the spin-polarized He + ion spin direction is parallel to the magnetic field direction, the output signal of the spin-polarized He + ion passing through the electrostatic analyzer (scattered ion intensity I ↑ (first time) ) Measurement is performed for a predetermined time with a secondary electron multiplier installed at the bottom of the electrostatic analyzer.
The predetermined time is, for example, 10 seconds.

「円偏光の光ポンピング照射光のヘリシティを左回りにして出力信号を測定する工程」
次に、円偏光の光ポンピング照射光のヘリシティを左回りに制御して、スピン偏極Heイオンのスピンの向きを磁場の方向と反平行とした他は「円偏光の光ポンピング照射光のヘリシティを右回り」とした場合と同様にして、スピン偏極Heイオンのスピンの向きを磁場の方向と反平行とした場合の、スピン偏極Heイオンの出力信号(散乱イオン強度I↓(1回目))を、静電アナライザの下部に設置した2次電子増倍管で所定時間測定する。所定時間は、例えば、10秒間である。
“Process to measure output signal by turning counterclockwise helicity of circularly polarized light pumping light”
Next, except that the helicity of the circularly polarized light pumping irradiation light is controlled counterclockwise so that the spin direction of the spin-polarized He + ion is antiparallel to the direction of the magnetic field, in the same way as in the clockwise "helicity, spin-polarized He + when the spin direction was antiparallel direction of the magnetic field of the ion, the spin-polarized He + ions of the output signal (scattered ionic strength I ↓ (First time) ) is measured for a predetermined time with a secondary electron multiplier installed in the lower part of the electrostatic analyzer. The predetermined time is, for example, 10 seconds.

円偏光の光ポンピング照射光のヘリシティを右回りにして出力信号を測定する工程と、円偏光の光ポンピング照射光のヘリシティを左回りにして出力信号を測定する工程とを交互に複数回繰り返して各測定データを得てから、測定データをプリアンプで増幅してから、カウンタボードを用いて計数し、コンピュータで処理して、スピン偏極Heイオンのスピンの向きを磁場の方向と平行とした場合の散乱イオン強度I↑(積算値)及び、スピン偏極Heイオンのスピンの向きを磁場の方向と反平行とした場合の散乱イオン強度I↓(積算値)を算出する。
散乱イオン強度I↑(積算値)及び散乱イオン強度I↓(積算値)はそれぞれ、散乱イオン運動エネルギーの関数として得られる。
The process of measuring the output signal by turning the helicity of the circularly polarized light pumping irradiation clockwise and the process of measuring the output signal by turning the helicity of the circularly polarized light pumping light counterclockwise are repeated several times alternately. After obtaining each measurement data, the measurement data is amplified by a preamplifier, then counted using a counter board, and processed by a computer so that the spin direction of spin-polarized He + ions is parallel to the direction of the magnetic field. In this case, the scattered ion intensity I ↑ (integrated value) and the scattered ion intensity I ↓ (integrated value) when the spin direction of the spin-polarized He + ion is antiparallel to the magnetic field direction are calculated.
The scattered ion intensity I ↑ (integrated value) and scattered ion intensity I ↓ (integrated value) are each obtained as a function of the scattered ion kinetic energy.

なお、Heイオンのスピンの向きを複数回、平行、反平行の間で定期的に切り替えたのは、標的の表面の経時変化の影響を排除するためである。少なくとも100回以上切り替えることが好ましい。 The reason why the spin direction of the He + ion is periodically switched between parallel and antiparallel is to eliminate the influence of the surface change of the target over time. It is preferable to switch at least 100 times or more.

次に、散乱イオン強度I↑(積算値)及び散乱イオン強度I↓(積算値)と、下記式(2)で定義される入射Heイオンビームのスピン偏極率PHe+(INPUT)を下記式(1)に代入する。式(2)において、n↑は磁場に平行の磁気モーメントを持つHeイオンの個数であり、n↓は磁場に反平行の磁気モーメントを持つHeイオンの個数である。スピン偏極率PHe+(INPUT)は既知の値を用いることができる。
散乱イオンの運動エネルギーの関数としてスピン非対称率A(He+、M、E、α、β、θ)が得られる。
Next, the scattered ion intensity I ↑ (integrated value) and scattered ion intensity I ↓ (integrated value), and the incident He + ion beam spin polarization rate PHe + (INPUT) defined by the following equation (2) are as follows. Substitute into equation (1). In Equation (2), n ↑ is the number of He + ions having a magnetic moment parallel to the magnetic field, and n ↓ is the number of He + ions having a magnetic moment antiparallel to the magnetic field. A known value can be used as the spin polarization rate P He + (INPUT) .
Spin asymmetry A (He +, M, E, α, β, θ) is obtained as a function of the kinetic energy of the scattered ions.

なお、散乱イオン強度I↑(積算値)、I↓(積算値))はそれぞれ、スピン軌道相互作用に基づき、次式(3)、(4)で表される。
ここで、σ↑とσ↓はそれぞれ、磁場に平行と反平行の磁気モーメントを持つHeイオンの散乱断面積(直線状に放出した粒子の軌道が変わる確率)である。
The scattered ion intensities I ↑ (integrated value) and I ↓ (integrated value)) are expressed by the following equations (3) and (4) based on the spin-orbit interaction, respectively.
Here, σ ↑ and σ ↓ are the scattering cross sections of He + ions having magnetic moments parallel and antiparallel to the magnetic field (probability of changing the trajectory of particles emitted linearly), respectively.

式(3),(4)の比例係数は同じである場合、式(3),(4)を式(1)に代入すると、次式(5)が得られる。
式(5)に示すように、A((M、E、α、β、θ)は、散乱断面積σ↑とσ↓とからなる。
When the proportional coefficients of equations (3) and (4) are the same, substituting equations (3) and (4) into equation (1) yields the following equation (5).
As shown in equation (5), A ((M, E, α, β, θ) is composed of scattering cross sections σ ↑ and σ ↓.

式(5)は、無偏極のHeのイオンビームを用いた場合の出射スピン偏極Heイオンビームのスピン非対称率A(He+、M、E、α、β、θ)が、スピン偏極させた2種のHeのイオンビームを用いた場合の出射スピン偏極Heイオンビームのスピン非対称率A(He+、M、E、α、β、θ)と同一の値となることを示している。 Equation (5) shows that when an unpolarized He + ion beam is used, the spin asymmetry A (He +, M, E, α, β, θ) of the outgoing spin polarized He + ion beam is expressed by the spin polarization. emitting spin-polarized He + ion beam spin asymmetry ratio a in the case of using two kinds of He + ion beam was very a (He +, M, E, α, β, θ) and to be a same value Show.

つまり、スピン偏極率PHe+(INPUT)が既知のHeイオンビームの出射スピン偏極Heイオンビームのスピン非対称率A(He+、M、E、α、β、θ)を求めれば、それは、無偏極のHeイオンビームを同様の条件で散乱させて得られるスピン偏極率PHe+(OUTPUT)に等しい。 In other words, if the spin polarization rate P He + (INPUT) is known He + ion beam outgoing spin polarization He + ion beam spin asymmetry A (He +, M, E, α, β, θ) , Equal to the spin polarization P He + (OUTPUT) obtained by scattering an unpolarized He + ion beam under the same conditions.

本発明の実施形態である電子スピン偏極イオンビーム発生方法は、希ガス元素イオンからなるイオンビームを発生させる工程と、前記イオンビームを標的の一面に入射して、散乱イオンビームを出射させる工程と、前記散乱イオンビームを静電アナライザ内に取り込んで、電界を印加して、電子スピン偏極イオンビームを発生させる工程と、を有する電子スピン偏極イオンビーム発生方法であって、前記イオンビームを標的の一面に入射する際、前記イオンビームの入射方向と前記散乱イオンビームの出射方向の両者を含む散乱面に対して、磁場の方向が80°以上100°以下の方向となるように、磁場を印加する構成なので、光ポンピング法を用いず、スピン偏極率の絶対値が0.05以上である電子スピン偏極イオンビームを発生させることができる。 An electron spin polarized ion beam generation method according to an embodiment of the present invention includes a step of generating an ion beam made of rare gas element ions, and a step of emitting the scattered ion beam by making the ion beam incident on one surface of the target A method of generating an electron spin polarized ion beam by taking the scattered ion beam into an electrostatic analyzer and applying an electric field to generate an electron spin polarized ion beam, wherein the ion beam When the light is incident on one surface of the target, the direction of the magnetic field is 80 ° or more and 100 ° or less with respect to the scattering surface including both the incident direction of the ion beam and the emitting direction of the scattered ion beam. Since the magnetic field is applied, an electron spin-polarized ion beam having an absolute value of spin polarization of 0.05 or more is generated without using the optical pumping method. be able to.

本発明の実施形態である電子スピン偏極イオンビーム発生方法は、プラズマ法により、希ガス元素イオンを発生させる構成なので、効率よく、無偏極の希ガス元素イオンからなるイオンビームを発生させることができ、光ポンピング法を用いず、スピン偏極率の絶対値が0.05以上である電子スピン偏極イオンビームを発生させることができる。 Since the electron spin polarized ion beam generation method according to the embodiment of the present invention is configured to generate rare gas element ions by the plasma method, it is possible to efficiently generate an ion beam composed of unpolarized rare gas element ions. An electron spin-polarized ion beam having an absolute value of spin polarization of 0.05 or more can be generated without using an optical pumping method.

本発明の実施形態である電子スピン偏極イオンビーム発生方法は、前記希ガス元素がHeである構成なので、効率よく、無偏極のHeイオンからなるイオンビームを発生させることができ、光ポンピング法を用いず、スピン偏極率の絶対値が0.05以上である電子スピン偏極イオンビームを発生させることができる。 In the electron spin polarized ion beam generating method according to the embodiment of the present invention, since the rare gas element is He, it is possible to efficiently generate an ion beam made of unpolarized He + ions, Without using the pumping method, it is possible to generate an electron spin-polarized ion beam having an absolute value of spin polarization of 0.05 or more.

本発明の実施形態である電子スピン偏極イオンビーム発生方法は、前記イオンビームの入射エネルギーが1keV以上30keV以下であり、散乱角が150°であり、入射角が0°である構成なので、効率よく、スピン偏極した散乱イオンビームを発生させることができ、光ポンピング法を用いず、スピン偏極率の絶対値が0.05以上である電子スピン偏極イオンビームを発生させることができる。
Electron spin polarized ion beam generating method which is an embodiment of the invention, the incident energy of the ion beam is at 3 0ke V less than 1 keV, the scattering angle is 0.99 °, a constitution in incident angle is 0 ° It is possible to efficiently generate a spin-polarized scattered ion beam, and to generate an electron spin-polarized ion beam having an absolute value of spin polarization of 0.05 or more without using an optical pumping method. it can.

本発明の実施形態である電子スピン偏極イオンビーム発生方法は、入射角が0°であり、前記標的が、原子番号50番以上の元素群から選択される一の材料を有する構成なので、効率よく、スピン偏極した散乱イオンビームを発生させることができ、光ポンピング法を用いず、スピン偏極率の絶対値が0.05以上である電子スピン偏極イオンビームを発生させることができる。 The electron spin polarized ion beam generation method according to the embodiment of the present invention has an incident angle of 0 °, and the target has a single material selected from an element group having an atomic number of 50 or more. Well, a spin-polarized scattered ion beam can be generated, and an electron spin-polarized ion beam having an absolute value of spin polarization of 0.05 or more can be generated without using an optical pumping method.

本発明の実施形態である電子スピン偏極イオンビーム発生方法は、前記標的が、Sn、Au、Pb、Biの群から選択される一の材料を有する構成なので、効率よく、スピン偏極した散乱イオンビームを発生させることができ、光ポンピング法を用いず、スピン偏極率の絶対値が0.05以上である電子スピン偏極イオンビームを発生させることができる。 In the electron spin polarized ion beam generation method according to the embodiment of the present invention, since the target has one material selected from the group of Sn, Au, Pb, and Bi, the spin polarized scattering is efficiently performed. An ion beam can be generated, and an electron spin-polarized ion beam having an absolute value of spin polarization of 0.05 or more can be generated without using an optical pumping method.

本発明の実施形態である電子スピン偏極イオンビーム発生方法は、前記イオンビームの入射エネルギーが1.57keVであり、散乱角が60°以上90°以下又は110°以上150°以下の範囲内であり、入射角が(180°−散乱角)/2であり、前記標的がAuである構成なので、効率よく、スピン偏極した散乱イオンビームを発生させることができ、光ポンピング法を用いず、スピン偏極率の絶対値が0.05以上である電子スピン偏極イオンビームを発生させることができる。 In an electron spin polarized ion beam generation method according to an embodiment of the present invention, the ion beam has an incident energy of 1.57 keV and a scattering angle in a range of 60 ° to 90 ° or 110 ° to 150 °. Yes, since the incident angle is (180 ° −scattering angle) / 2 and the target is Au, it is possible to efficiently generate a spin-polarized scattered ion beam without using an optical pumping method, An electron spin-polarized ion beam having an absolute value of spin polarization of 0.05 or more can be generated.

本発明の実施形態である電子スピン偏極イオンビーム発生方法は、前記イオンビームの入射エネルギーが1.57keVであり、散乱角が25°以上140°以下の範囲内であり、入射角が(180°−散乱角)/2であり、前記標的がPbである構成なので、効率よく、スピン偏極した散乱イオンビームを発生させることができ、光ポンピング法を用いず、スピン偏極率の絶対値が0.05以上である電子スピン偏極イオンビームを発生させることができる。 In an electron spin polarized ion beam generation method according to an embodiment of the present invention, the incident energy of the ion beam is 1.57 keV, the scattering angle is in the range of 25 ° to 140 °, and the incident angle is (180 (° -scattering angle) / 2, and the target is Pb, so that a spin-polarized scattered ion beam can be generated efficiently, and the absolute value of the spin polarization rate is not used without using the optical pumping method. It is possible to generate an electron spin polarized ion beam having a thickness of 0.05 or more.

本発明の実施形態である電子スピン偏極イオンビーム発生方法は、希ガス元素の種類、標的材料の種類、入射エネルギー値、入射角、出射角、散乱角を同一にして、光ポンピング法による電子スピン偏極イオンビームのスピン非対称率を測定する工程を有する構成なので、光ポンピング法を用いず、発生させた電子スピン偏極イオンビームのスピン偏極率の絶対値を算出することができる。 An electron spin-polarized ion beam generation method according to an embodiment of the present invention includes an electron pumping method in which a rare gas element type, a target material type, an incident energy value, an incident angle, an outgoing angle, and a scattering angle are the same. Since the configuration includes a step of measuring the spin asymmetry rate of the spin-polarized ion beam, the absolute value of the spin-polarization rate of the generated electron spin-polarized ion beam can be calculated without using the optical pumping method.

本発明の実施形態である電子スピン偏極イオンビーム発生装置は、真空槽と、イオンビーム発生部と、前記真空槽と前記イオンビーム発生部とを連結するビームラインと、前記真空槽、前記イオンビーム発生部及び前記ビームラインを取り囲むように配置した3軸コイルと、を備えた電子スピン偏極イオンビーム発生装置であって、前記真空槽内には略板状の標的と静電アナライザが配置されており、前記標的は、回転制御機構により、標的の一面に平行な回転軸を中心に回転可能とされており、前記静電アナライザは、移動制御機構により前記標的の回転軸を中心として回転移動可能とされており、前記3軸コイルに通電する電流を調整することにより、前記標的に磁場を印加可能とされている構成なので、光ポンピング法を用いず、スピン偏極率の絶対値が0.05以上である電子スピン偏極イオンビームを発生させることができる。 An electron spin polarized ion beam generator according to an embodiment of the present invention includes a vacuum chamber, an ion beam generator, a beam line connecting the vacuum chamber and the ion beam generator, the vacuum chamber, and the ion. An electron spin polarized ion beam generator comprising a beam generator and a three-axis coil arranged so as to surround the beam line, wherein a substantially plate-like target and an electrostatic analyzer are arranged in the vacuum chamber The target can be rotated about a rotation axis parallel to one surface of the target by a rotation control mechanism, and the electrostatic analyzer can be rotated about the rotation axis of the target by a movement control mechanism. Since it is configured to be movable and a magnetic field can be applied to the target by adjusting the current applied to the triaxial coil, the optical pumping method is not used, and the spin is not used. The absolute value of the polarization degree can be generated electrons spin-polarized ion beam is 0.05 or more.

本発明の実施形態である電子スピン偏極イオンビーム発生装置は、前記静電アナライザが、筒部と前記筒部を取り囲むように配置された電界印加部材とからなり、前記筒部内でイオンビームに電界印加可能とされている構成なので、光ポンピング法を用いず、スピン軌道相互作用により、効率よくスピン偏極率の絶対値が0.05以上である電子スピン偏極イオンビームを発生させることができる。 In an electron spin polarized ion beam generator according to an embodiment of the present invention, the electrostatic analyzer includes a cylindrical portion and an electric field applying member disposed so as to surround the cylindrical portion. Since an electric field can be applied, an electron spin-polarized ion beam having an absolute value of spin polarization of 0.05 or more can be efficiently generated by spin-orbit interaction without using an optical pumping method. it can.

本発明の実施形態である電子スピン偏極イオンビーム発生装置は、前記イオンビーム発生部が、希ガス元素ガス導入管が接続されたRF放電管である構成なので、効率よく、無偏極の希ガス元素イオンからなるイオンビームを発生させることができ、光ポンピング法を用いず、スピン偏極率の絶対値が0.05以上である電子スピン偏極イオンビームを発生させることができる。 In the electron spin polarized ion beam generator according to an embodiment of the present invention, the ion beam generator is an RF discharge tube to which a rare gas element gas introduction tube is connected. An ion beam composed of gas element ions can be generated, and an electron spin-polarized ion beam having an absolute value of spin polarization of 0.05 or more can be generated without using an optical pumping method.

本発明の実施形態である電子スピン偏極イオンビーム発生方法及びその発生装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で、種々変更して実施することができる。本実施形態の具体例を以下の実施例で示す。しかし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 The electron spin-polarized ion beam generation method and the generation apparatus according to the embodiment of the present invention are not limited to the above-described embodiment, and may be implemented with various modifications within the scope of the technical idea of the present invention. Can do. Specific examples of this embodiment are shown in the following examples. However, the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
[スピン非対称率A(He+、Au、1.54、0、30、150)決定工程]
(準備工程)
まず、Heイオンビームのスピン非対称率A(He+、Au、1.54、0、30、150)を決定するための実験を行った。
スピン非対称率A(He+、Au、1.54、0、30、150)は、Heイオンビームを用い、標的としてAuを用い、入射エネルギーを1.54eVとし、入射角α=0°、出射角β=30°、散乱角θ=150°とした場合のスピン非対称率である。
(Example 1)
[Spin Asymmetry A (He +, Au, 1.54, 0, 30, 150) Determination Step]
(Preparation process)
First, an experiment was performed to determine the spin asymmetry ratio A (He +, Au, 1.54, 0, 30, 150) of the He + ion beam.
The spin asymmetry A (He +, Au, 1.54, 0, 30, 150) uses a He + ion beam, Au as a target, an incident energy of 1.54 eV, an incident angle α = 0 °, and an output. The spin asymmetry rate when the angle β = 30 ° and the scattering angle θ = 150 °.

まず、一辺Lの長さが2mの3軸コイルを調整して、Heイオン源から真空槽までの磁場が、鉛直方向に平行で、その大きさが約3×10−5Tとなるように調整した。
標的として、単結晶金(Au)を用い、(111)面をイオンビームの照射面とした。そして(111)面を標的回転軸と平行となる様に標的を設置した。
First, a triaxial coil having a side L of 2 m is adjusted so that the magnetic field from the He + ion source to the vacuum chamber is parallel to the vertical direction and the size is about 3 × 10 −5 T. Adjusted.
Single crystal gold (Au) was used as a target, and the (111) plane was used as the ion beam irradiation surface. The target was placed so that the (111) plane was parallel to the target rotation axis.

次に、磁場補正用3軸コイルを調整して磁場が散乱面と垂直となるようにした。
これにより、標的の一面の法線方向に対して、磁場の方向が80°以上100°以下の方向となるように、磁場を印加した。また、入射角α=0°、出射角β=30°、散乱角θ=150°とした。
Next, the magnetic field correction three-axis coil was adjusted so that the magnetic field was perpendicular to the scattering surface.
Thereby, the magnetic field was applied so that the direction of the magnetic field was 80 ° or more and 100 ° or less with respect to the normal direction of one surface of the target. Further, the incident angle α = 0 °, the outgoing angle β = 30 °, and the scattering angle θ = 150 °.

次に、真空槽内、ビームライン内、RF放電管内を、真空ポンプで減圧状態とし、ベースプレッシャーを5×10−11Torr以下の超高真空とした。 Next, the inside of the vacuum chamber, the beam line, and the RF discharge tube were depressurized by a vacuum pump, and the base pressure was set to an ultrahigh vacuum of 5 × 10 −11 Torr or less.

次に、RF放電管内にヘリウムガスを希ガス元素ガス導入口から導入した。また、希ガス元素ガス排気口から排気を行い、RF放電管中のヘリウム圧力を約20Paとなるように調整した。 Next, helium gas was introduced into the RF discharge tube from the rare gas element gas inlet. Further, exhaust was performed from a rare gas element gas exhaust port, and the helium pressure in the RF discharge tube was adjusted to about 20 Pa.

次に、RF出力を3WとしてHeガスを放電して、RF放電管中にヘリウムプラズマを発生させて、Heイオンを発生させた。 Next, the He gas was discharged with an RF output of 3 W to generate helium plasma in the RF discharge tube, thereby generating He + ions.

次に、標的の一面を、超高真空中での加熱処理とイオンビームスパッタリングの組み合わせにより、清浄化した。標的表面の清浄性は、静電アナライザを用いた散乱イオンの分光(イオン散乱分光法(ISS))で標的の材料の弾性散乱イオンピークのみが観測されるか否かにより確認した。 Next, one surface of the target was cleaned by a combination of heat treatment in ultrahigh vacuum and ion beam sputtering. The cleanliness of the target surface was confirmed by whether or not only the elastic scattering ion peak of the target material was observed by scattering ion spectroscopy (ion scattering spectroscopy (ISS)) using an electrostatic analyzer.

「円偏光の光ポンピング照射光のヘリシティを右回りにして出力信号を測定する工程」
次に、光ポンピング法により、RF放電管内のHeイオンをスピン偏極させた。
具体的には、直線偏光の光ポンピング照射光と、円偏光の光ポンピング照射光を同時にHeイオンに照射し、スピン偏極Heイオンを発生させた。なお、これらの光ポンピング照射光の波長は1083nmのD線に調整し、光密度は約0.1W/cmとなるように調整した。
また、円偏光の光ポンピング照射光のヘリシティを右回りに制御して、スピン偏極Heイオンのスピンの向きを磁場の方向と平行とした。
“Process to measure output signal by turning helicity of circularly polarized light pumping light clockwise”
Next, He + ions in the RF discharge tube were spin-polarized by an optical pumping method.
Specifically, the optical pumping radiation beam of the linearly polarized light is irradiated at the same time He + ions optical pumping radiation light circularly polarized light was generated spin-polarized He + ions. The wavelength of the light pumping irradiation light was adjusted to 1083 nm D 0 line, and the light density was adjusted to about 0.1 W / cm 2 .
In addition, the helicity of the circularly polarized light pumping irradiation light was controlled clockwise so that the spin direction of the spin-polarized He + ion was parallel to the direction of the magnetic field.

次に、ビームラインに電界を印加し、スピン偏極させたHeイオンを加速して真空槽の中に設置したスピン偏極器まで輸送し、Heイオンからなるイオンビームを入射エネルギー1.54keVとして、真空槽内のスピン偏極器内のAu(111)からなる標的に照射した。 Then, an electric field is applied to the beam line, to accelerate the He + ions obtained by spin-polarized transported to spin-polarized instrument installed in a vacuum chamber, He + ion beam incident energy 1 consisting of ions. The target was made of Au (111) in the spin polarizer in the vacuum chamber at 54 keV.

Heイオンは標的で散乱されてから、静電アナライザ内に取り込まれ、静電アナライザ内を通過し、静電アナライザの下部から放出された。
静電アナライザ内を通過したスピン偏極Heイオンの出力信号(散乱イオン強度I↑(1回目))を、静電アナライザの下部に設置した2次電子増倍管で10秒間測定した。
The He + ions were scattered by the target, then taken into the electrostatic analyzer, passed through the electrostatic analyzer, and emitted from the bottom of the electrostatic analyzer.
The output signal (scattered ion intensity I ↑ (first time) ) of spin-polarized He + ions that passed through the electrostatic analyzer was measured for 10 seconds with a secondary electron multiplier installed at the bottom of the electrostatic analyzer.

「円偏光の光ポンピング照射光のヘリシティを左回りにして出力信号を測定する工程」
次に、円偏光の光ポンピング照射光のヘリシティを左回りに制御して、スピン偏極Heイオンのスピンの向きを磁場の方向と反平行とした他は「円偏光の光ポンピング照射光のヘリシティを右回り」とした場合と同様にして、スピン偏極Heイオンの出力信号(散乱イオン強度I↓(1回目))を、静電アナライザの下部に設置した2次電子増倍管で10秒間測定した。
“Process to measure output signal by turning counterclockwise helicity of circularly polarized light pumping light”
Next, except that the helicity of the circularly polarized light pumping irradiation light is controlled counterclockwise so that the spin direction of the spin-polarized He + ion is antiparallel to the direction of the magnetic field, As in the case of “clockwise helicity”, the output signal of the spin-polarized He + ion (scattered ion intensity I ↓ (first time) ) is sent to the secondary electron multiplier installed at the bottom of the electrostatic analyzer. Measurement was performed for 10 seconds.

円偏光の光ポンピング照射光のヘリシティを右回りにして出力信号を測定する工程と、円偏光の光ポンピング照射光のヘリシティを左回りにして出力信号を測定する工程とを交互に100回ずつ繰り返して各測定データを得てから、測定データをプリアンプで増幅してから、カウンタボードを用いて計数し、コンピュータで処理して、散乱イオン強度I↑(積算値)及び散乱イオン強度I↓(積算値)を算出した。 The step of measuring the output signal by turning the helicity of the circularly polarized light pumping light clockwise and the step of measuring the output signal by turning the helicity of the circularly polarized light pumping light counterclockwise are repeated 100 times alternately. After each measurement data is obtained, the measurement data is amplified by a preamplifier, counted using a counter board, processed by a computer, and scattered ion intensity I ↑ (integrated value) and scattered ion intensity I ↓ (integrated) Value) .

次に、散乱イオン強度I↑(積算値)及び散乱イオン強度I↓(積算値)及び式(2)で定義される入射Heイオンビームのスピン偏極率PHe+(INPUT)を式(1)に代入した。スピン偏極率PHe+(INPUT)は既知の値を用いた。
図5には、散乱イオンの運動エネルギーの関数として得られたスピン非対称率A(He+、Au、1.54、0、30、150)が示されている。
Next, the scattered ion intensity I ↑ (integrated value), the scattered ion intensity I ↓ (integrated value), and the incident He + ion beam spin polarization rate PHe + (INPUT) defined by Expression (2) are expressed by Expression (1 ). ). A known value was used for the spin polarization rate P He + (INPUT) .
FIG. 5 shows the spin asymmetry A (He +, Au, 1.54, 0, 30, 150) obtained as a function of the kinetic energy of the scattered ions.

図5に示すように、散乱イオンの運動エネルギーが30eVではスピン非対称率A(He+、Au、1.54、0、30、150)は0.0であった。また、散乱イオンの運動エネルギーが1250eVでは、スピン非対称率A(He+、Au、1.54、0、30、150)は−0.17〜+0.16であった。また、散乱イオンの運動エネルギーが1550eVでは、スピン非対称率A(He+、Au、1.54、0、30、150)は−0.22〜0.20であった。更に、散乱イオンの運動エネルギーが1250〜1550eVの範囲ではスピン非対称率A(He+、Au、1.54、0、30、150)は0〜―0.1の範囲であった。 As shown in FIG. 5, when the kinetic energy of scattered ions was 30 eV, the spin asymmetry A (He +, Au, 1.54, 0, 30, 150) was 0.0. Further, when the kinetic energy of the scattered ions was 1250 eV, the spin asymmetry A (He +, Au, 1.54, 0, 30, 150) was −0.17 to +0.16. In addition, when the kinetic energy of scattered ions was 1550 eV, the spin asymmetry A (He +, Au, 1.54, 0, 30, 150) was −0.22 to 0.20. Further, the spin asymmetry A (He +, Au, 1.54, 0 , 30, 150) was in the range of 0 to −0.1 when the kinetic energy of scattered ions was in the range of 1250 to 1550 eV.

図5では統計誤差に基づくエラーバーが付記されているが、これを考慮すると、統計的に有意なスピン非対称率の絶対値は、弾性散乱エネルギーに相当する1410eV付近で最大となり、その値は0.09であった。 In FIG. 5, error bars based on statistical errors are added, but considering this, the statistically significant absolute value of the spin asymmetry becomes maximum in the vicinity of 1410 eV corresponding to the elastic scattering energy, and the value is 0. 0.09.

<電子スピン偏極Heイオンビームの発生工程>
次に、光ポンピング法を用いず、無偏極のHeイオンからなるイオンビームを、ビームラインを用いて真空槽の中に設置したスピン偏極器まで輸送し、真空槽内のスピン偏極器内のAu(111)からなる標的に照射した他は「円偏光の光ポンピング照射光のヘリシティを右回り」とした場合と同様にして、スピン偏極Heイオンの出力信号(散乱イオン強度I(積算値))を、静電アナライザの下部に設置した2次電子増倍管で1000秒間測定した。
<Electron spin polarized He + ion beam generation process>
Next, without using the optical pumping method, an ion beam composed of unpolarized He + ions is transported to a spin polarizer installed in the vacuum chamber using a beam line, and the spin polarization in the vacuum chamber is performed. The output signal of the spin-polarized He + ion (scattered ion intensity) is the same as in the case where “the helicity of the circularly polarized light pumping irradiation light is clockwise” except that the target made of Au (111) is irradiated in the chamber. I (integrated value) ) was measured for 1000 seconds with a secondary electron multiplier installed at the bottom of the electrostatic analyzer.

これにより、図5に示すように、散乱イオンの運動エネルギーと散乱イオン強度I(積算値)との関係を示すISSスペクトルを得た。
図5に示すように、50eVピークと、1410eVピークのISSスペクトルが得られた。50eVピークは2次イオンからなるものであり、1410eVピークは金の弾性散乱イオンピークである。
このISSスペクトルは、スピン非対称率A(He+、Au、1.54、0、30、150)と対応するので、1410eVピーク値において、スピン偏極率PHe+(OUTPUT)が9%である散乱He+イオンビームが得られた。
Thereby, as shown in FIG. 5, the ISS spectrum which shows the relationship between the kinetic energy of scattered ion and scattered ion intensity | strength I (integrated value) was obtained.
As shown in FIG. 5, ISS spectra of 50 eV peak and 1410 eV peak were obtained. The 50 eV peak is composed of secondary ions, and the 1410 eV peak is a gold elastic scattering ion peak.
Since this ISS spectrum corresponds to the spin asymmetry A (He +, Au, 1.54, 0, 30, 150) , the scattering He + having a spin polarization PHE + (OUTPUT) of 9% at the 1410 eV peak value. An ion beam was obtained.

(実施例2)
<標的の材料の原子番号依存性について>
標的材料をSi、Cu、Zn、Ag、Sn、Au、Pb、Biのいずれかとし、入射エネルギーを1.4〜1.7keVとした他は実施例1と同様にして、円偏光の光ポンピング照射光のヘリシティを右回りにして出力信号を測定する工程と、円偏光の光ポンピング照射光のヘリシティを左回りにして出力信号を測定する工程とを交互に100回ずつ繰り返して各測定データを得てから、測定データをプリアンプで増幅してから、カウンタボードを用いて計数し、コンピュータで処理して、散乱イオン強度I↑(積算値)及び散乱イオン強度I↓(積算値)を算出した。
(Example 2)
<About the atomic number dependence of the target material>
Circularly polarized light pumping in the same manner as in Example 1 except that the target material is any one of Si, Cu, Zn, Ag, Sn, Au, Pb, and Bi, and the incident energy is 1.4 to 1.7 keV. Each measurement data is obtained by alternately repeating the step of measuring the output signal with the helicity of the irradiation light turned clockwise and the step of measuring the output signal with the helicity of the circularly polarized light pumping irradiation light turned counterclockwise 100 times. After being obtained, the measurement data was amplified by a preamplifier, counted using a counter board, and processed by a computer to calculate scattered ion intensity I ↑ (integrated value) and scattered ion intensity I ↓ (integrated value) . .

次に、散乱イオン強度I↑(積算値)、散乱イオン強度I↓(積算値)及び式(2)で定義される入射Heイオンビームのスピン偏極率PHe+(INPUT)を式(1)に代入した。
散乱イオンの運動エネルギーの関数としてスピン非対称率A(He+、M、1.4〜1.7、0、30、150)を算出した。Mは、Si、Cu、Zn、Ag、Sn、Au、Pb、Biのいずれかの標的材料である。
Next, the scattered ion intensity I ↑ (integrated value) , the scattered ion intensity I ↓ (integrated value), and the incident He + ion beam spin polarization rate P He + (INPUT) defined by Expression (2) are expressed by Expression (1 ). ).
The spin asymmetry A (He +, M, 1.4 to 1.7, 0, 30, 150) was calculated as a function of the kinetic energy of the scattered ions. M is a target material of any one of Si, Cu, Zn, Ag, Sn, Au, Pb, and Bi.

次に、光ポンピング法を用いず、無偏極のHeイオンからなるイオンビームを、ビームラインを用いて真空槽の中に設置したスピン偏極器まで輸送し、真空槽内のスピン偏極器内の各種材料の標的に照射した他は「円偏光の光ポンピング照射光のヘリシティを右回り」とした場合と同様にして、スピン偏極Heイオンの出力信号(散乱イオン強度I(積算値))を、静電アナライザの下部に設置した2次電子増倍管で1000秒間測定した。
これにより、各種材料の標的を用いた場合のISSスペクトルを得た。
Next, without using the optical pumping method, an ion beam composed of unpolarized He + ions is transported to a spin polarizer installed in the vacuum chamber using a beam line, and the spin polarization in the vacuum chamber is performed. The output signal of the spin-polarized He + ion (scattered ion intensity I (integrated) is the same as in the case where the helicity of the circularly polarized light pumping irradiation light is clockwise, except that the target of various materials in the chamber is irradiated. The value) ) was measured for 1000 seconds with a secondary electron multiplier placed at the bottom of the electrostatic analyzer.
Thereby, the ISS spectrum at the time of using the target of various materials was obtained.

各種材料の標的を用いた場合のISSスペクトルは、スピン非対称率A(He+、M、1.4〜1.7、0、30、150)と対応するので、各ピーク値におけるスピン非対称率A(He+、M、1.4〜1.7、0、30、150)から、スピン偏極率PHe+(OUTPUT)が得られた。 ISS spectrum using the target of various materials, spin asymmetry factor A (He +, M, 1.4~1.7,0,30,150 ) because the corresponding a, spin asymmetry ratio in each peak value A ( He +, M, 1.4 to 1.7, 0, 30, 150) , the spin polarization PHE + (OUTPUT) was obtained.

図6は、スピン偏極率PHe+(OUTPUT)と標的材料の原子番号の関係を示すグラフである。
標的元素の原子番号の増加と共にスピン偏極率の絶対値が増大する傾向が見られた。これにより、より高いスピン偏極率を得るには、より大きな原子番号を持つ元素を標的にすればよいことが示された。Auを標的にしたときに測定した試料中で最大のスピン偏極率(約7%)が得られた。
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the spin polarization rate P He + (OUTPUT) and the atomic number of the target material.
There was a tendency for the absolute value of the spin polarization to increase as the atomic number of the target element increased. This indicates that an element with a higher atomic number should be targeted in order to obtain a higher spin polarization. The maximum spin polarization (about 7%) was obtained in the sample measured when Au was targeted.

(実施例3)
<入射エネルギー依存性について>
入射エネルギーを450、610、750、950、1050、1250、1550、1670eVとした他は実施例1と同様にして、円偏光の光ポンピング照射光のヘリシティを右回りにして出力信号を測定する工程と、円偏光の光ポンピング照射光のヘリシティを左回りにして出力信号を測定する工程とを交互に100回ずつ繰り返して各測定データを得てから、測定データをプリアンプで増幅してから、カウンタボードを用いて計数し、コンピュータで処理して、散乱イオン強度I↑(積算値)及び散乱イオン強度I↓(積算値)を算出した。
(Example 3)
<About incident energy dependency>
The step of measuring the output signal with the helicity of the circularly polarized light pumping irradiation light turned clockwise as in Example 1 except that the incident energy was set to 450, 610, 750, 950, 1050, 1250, 1550, 1670 eV. And the step of measuring the output signal by turning the helicity of the circularly polarized light pumping irradiation light counterclockwise is repeated 100 times alternately to obtain each measurement data, and then the measurement data is amplified by a preamplifier, and then the counter Counting was performed using a board, and processing was carried out by a computer to calculate scattered ion intensity I ↑ (integrated value) and scattered ion intensity I ↓ (integrated value) .

次に、散乱イオン強度I↑(積算値)、散乱イオン強度I↓(積算値)及び式(2)で定義される入射Heイオンビームのスピン偏極率PHe+(INPUT)を式(1)に代入した。
散乱イオンの運動エネルギーの関数としてスピン非対称率A(He+、Au、E、0、30、150)を算出した。入射エネルギー値Eは、450、610、750、950、1050、1250、1550、1670eVのいずれかの値である。
Next, the scattered ion intensity I ↑ (integrated value) , the scattered ion intensity I ↓ (integrated value), and the incident He + ion beam spin polarization rate P He + (INPUT) defined by Expression (2) are expressed by Expression (1 ). ).
The spin asymmetry A (He +, Au, E, 0, 30, 150) was calculated as a function of the kinetic energy of the scattered ions. The incident energy value E is one of 450, 610, 750, 950, 1050, 1250, 1550, and 1670 eV.

次に、光ポンピング法を用いず、無偏極のHeイオンからなるイオンビームを、ビームラインを用いて真空槽の中に設置したスピン偏極器まで輸送し、真空槽内のスピン偏極器内の標的に照射した他は「円偏光の光ポンピング照射光のヘリシティを右回り」とした場合と同様にして、スピン偏極Heイオンの出力信号(散乱イオン強度I(積算値))を、静電アナライザの下部に設置した2次電子増倍管で1000秒間測定した。
これにより、入射エネルギーEが450、610、750、950、1050、1250、1550、1670eVのいずれかである場合のISSスペクトルを得た。
Next, without using the optical pumping method, an ion beam composed of unpolarized He + ions is transported to a spin polarizer installed in the vacuum chamber using a beam line, and the spin polarization in the vacuum chamber is performed. The output signal of the spin-polarized He + ion (scattered ion intensity I (integrated value) ) is the same as in the case of “clockwise helicity of circularly polarized light pumping irradiation light” except that the target in the vessel is irradiated Was measured with a secondary electron multiplier installed at the bottom of the electrostatic analyzer for 1000 seconds.
As a result, an ISS spectrum was obtained when the incident energy E was any one of 450, 610, 750, 950, 1050, 1250, 1550, and 1670 eV.

当該ISSスペクトルは、スピン非対称率A(He+、Au、E、0、30、150)と対応するので、各ピーク値におけるスピン非対称率A(He+、Au、E、0、30、150)から、スピン偏極率PHe+(OUTPUT)が得られた。 The ISS spectra spin asymmetry factor A (He +, Au, E , 0,30,150) because the corresponding a, a spin asymmetry factor A at each peak value (He +, Au, E, 0,30,150), A spin polarization PHe + (OUTPUT) was obtained.

図7は、スピン偏極率PHe+(OUTPUT)と入射エネルギーの関係を示すグラフである。スピン偏極率PHe+(OUTPUT)は入射エネルギーの増加と共に単調に減少した。これにより、より大きな絶対値のスピン偏極率を得るには、入射エネルギーをより高くすればよいことが示された。測定した範囲では、入射エネルギーを1.67keVにしたときに最大のスピン偏極率PHe+(OUTPUT)(約8%)が得られた。 FIG. 7 is a graph showing the relationship between the spin polarization rate P He + (OUTPUT) and the incident energy. The spin polarization P He + (OUTPUT) monotonously decreased with increasing incident energy. As a result, it was shown that in order to obtain a higher spin polarization with a larger absolute value, the incident energy should be higher. In the measured range, the maximum spin polarization rate P He + (OUTPUT) (about 8%) was obtained when the incident energy was 1.67 keV.

(実施例4)
<散乱角依存性について>
(4−1)
標的として多結晶金の薄板を用い、入射エネルギーが1.57keVで、尚かつ入射角と出射角を等しくし、散乱角θを10°から150°の範囲で変更した他は実施例1と同様にして、円偏光の光ポンピング照射光のヘリシティを右回りにして出力信号を測定する工程と、円偏光の光ポンピング照射光のヘリシティを左回りにして出力信号を測定する工程とを交互に100回ずつ繰り返して各測定データを得てから、測定データをプリアンプで増幅してから、カウンタボードを用いて計数し、コンピュータで処理して、散乱イオン強度I↑(積算値)及び散乱イオン強度I↓(積算値)を算出した。
Example 4
<About scattering angle dependency>
(4-1)
Example 1 except that a polycrystalline gold thin plate was used as the target, the incident energy was 1.57 keV, the incident angle and the outgoing angle were made equal, and the scattering angle θ was changed in the range of 10 ° to 150 °. Then, the step of measuring the output signal by turning the helicity of the circularly polarized light pumping irradiation light clockwise and the step of measuring the output signal by turning the helicity of the circularly polarized light pumping irradiation light counterclockwise 100 are alternately performed. After each measurement data is obtained repeatedly, the measurement data is amplified by a preamplifier, counted using a counter board, processed by a computer, and scattered ion intensity I ↑ (integrated value) and scattered ion intensity I ↓ (integrated value) was calculated.

次に、散乱イオン強度I↑(積算値)、散乱イオン強度I↓(積算値)及び式(2)で定義される入射Heイオンビームのスピン偏極率PHe+(INPUT)を式(1)に代入した。
散乱イオンの運動エネルギーの関数としてスピン非対称率A(He+、Au、1.57、α=β、θ)を算出した。
Next, the scattered ion intensity I ↑ (integrated value) , the scattered ion intensity I ↓ (integrated value), and the incident He + ion beam spin polarization rate P He + (INPUT) defined by Expression (2) are expressed by Expression (1 ). ).
The spin asymmetry A (He +, Au, 1.57, α = β, θ) was calculated as a function of the kinetic energy of the scattered ions.

次に、光ポンピング法を用いず、無偏極のHeイオンからなるイオンビームを、ビームラインを用いて真空槽の中に設置したスピン偏極器まで輸送し、真空槽内のスピン偏極器内の標的に照射した他は「円偏光の光ポンピング照射光のヘリシティを右回り」とした場合と同様にして、スピン偏極Heイオンの出力信号(散乱イオン強度I(積算値))を、静電アナライザの下部に設置した2次電子増倍管で1000秒間測定した。
これにより、標的として多結晶金の薄板を用い、入射エネルギーが1.57keVで、尚かつ入射角と出射角を等しくし、散乱角を変更した場合のISSスペクトルを得た。
Next, without using the optical pumping method, an ion beam composed of unpolarized He + ions is transported to a spin polarizer installed in the vacuum chamber using a beam line, and the spin polarization in the vacuum chamber is performed. The output signal of the spin-polarized He + ion (scattered ion intensity I (integrated value) ) is the same as in the case of “clockwise helicity of circularly polarized light pumping irradiation light” except that the target in the vessel is irradiated Was measured with a secondary electron multiplier installed at the bottom of the electrostatic analyzer for 1000 seconds.
Thus, an ISS spectrum was obtained when a polycrystalline gold thin plate was used as a target, the incident energy was 1.57 keV, the incident angle and the outgoing angle were made equal, and the scattering angle was changed.

当該ISSスペクトルは、スピン非対称率A(He+、Au、1.57、α=β、θ)と対応するので、各ピーク値におけるスピン非対称率A(He+、Au、1.57、α=β、θ)から、スピン偏極率PHe+(OUTPUT)が得られた。 Since the ISS spectrum corresponds to the spin asymmetry A (He +, Au, 1.57, α = β, θ) , the spin asymmetry A (He +, Au, 1.57, α = β, From (θ) , the spin polarization rate P He + (OUTPUT) was obtained.

(4−2)
標的として多結晶鉛の薄板を用い、入射エネルギーが1.57keVで、尚かつ入射角と出射角を等しくし、散乱角θを10°から150°の範囲で変更した他は実施例1と同様にして、円偏光の光ポンピング照射光のヘリシティを右回りにして出力信号を測定する工程と、円偏光の光ポンピング照射光のヘリシティを左回りにして出力信号を測定する工程とを交互に100回ずつ繰り返して各測定データを得てから、測定データをプリアンプで増幅してから、カウンタボードを用いて計数し、コンピュータで処理して、散乱イオン強度I↑(積算値)及び散乱イオン強度I↓(積算値)を算出した。
(4-2)
Example 1 except that a polycrystalline lead thin plate was used as the target, the incident energy was 1.57 keV, the incident angle and the outgoing angle were made equal, and the scattering angle θ was changed in the range of 10 ° to 150 °. Then, the step of measuring the output signal by turning the helicity of the circularly polarized light pumping irradiation light clockwise and the step of measuring the output signal by turning the helicity of the circularly polarized light pumping irradiation light counterclockwise 100 are alternately performed. After each measurement data is obtained repeatedly, the measurement data is amplified by a preamplifier, counted using a counter board, processed by a computer, and scattered ion intensity I ↑ (integrated value) and scattered ion intensity I ↓ (integrated value) was calculated.

次に、散乱イオン強度I↑(積算値)、散乱イオン強度I↓(積算値)及び式(2)で定義される入射Heイオンビームのスピン偏極率PHe+(INPUT)を式(1)に代入した。
散乱イオンの運動エネルギーの関数としてスピン非対称率A(He+、Pb、1.57、α=β、θ)を算出した。
Next, the scattered ion intensity I ↑ (integrated value) , the scattered ion intensity I ↓ (integrated value), and the incident He + ion beam spin polarization rate P He + (INPUT) defined by Expression (2) are expressed by Expression (1 ). ).
The spin asymmetry A (He +, Pb, 1.57, α = β, θ) was calculated as a function of the kinetic energy of the scattered ions.

次に、光ポンピング法を用いず、無偏極のHeイオンからなるイオンビームを、ビームラインを用いて真空槽の中に設置したスピン偏極器まで輸送し、真空槽内のスピン偏極器内の標的に照射した他は「円偏光の光ポンピング照射光のヘリシティを右回り」とした場合と同様にして、スピン偏極Heイオンの出力信号(散乱イオン強度I(積算値))を、静電アナライザの下部に設置した2次電子増倍管で1000秒間測定した。
これにより、標的として多結晶鉛の薄板を用い、入射エネルギーが1.57keVで、尚かつ入射角と出射角を等しくし、散乱角を変更した場合のISSスペクトルを得た。
Next, without using the optical pumping method, an ion beam composed of unpolarized He + ions is transported to a spin polarizer installed in the vacuum chamber using a beam line, and the spin polarization in the vacuum chamber is performed. The output signal of the spin-polarized He + ion (scattered ion intensity I (integrated value) ) is the same as in the case of “clockwise helicity of circularly polarized light pumping irradiation light” except that the target in the vessel is irradiated Was measured with a secondary electron multiplier installed at the bottom of the electrostatic analyzer for 1000 seconds.
Thus, an ISS spectrum was obtained when a polycrystalline lead thin plate was used as the target, the incident energy was 1.57 keV, the incident angle was equal to the outgoing angle, and the scattering angle was changed.

当該ISSスペクトルは、スピン非対称率A(He+、Pb、1.57、α=β、θ)と対応するので、各ピーク値におけるスピン非対称率A(He+、Pb、1.57、α=β、θ)から、スピン偏極率PHe+(OUTPUT)が得られた。 Since the ISS spectrum corresponds to the spin asymmetry A (He +, Pb, 1.57, α = β, θ) , the spin asymmetry A (He +, Pb, 1.57, α = β, From (θ) , the spin polarization rate P He + (OUTPUT) was obtained.

図8は、スピン偏極率PHe+(OUTPUT)と散乱角θとの関係を示すグラフである。
標的が金の場合には、散乱角θ=140°のときに、スピン偏極率PHe+(OUTPUT)の絶対値が最大値8%となった。
一方、標的が鉛の場合には、散乱角θ=70°ときに、スピン偏極率PHe+(OUTPUT)の絶対値が最大値25%となった。
このように、絶対値が最大値となるスピン偏極率PHe+(OUTPUT)が得られる散乱角θは、標的元素の種類に依存して、異なるものであった。しかし、スピン偏極率PHe+(OUTPUT)は、入射角αと出射角βには依存しなかった。また、スピン偏極率PHe+(OUTPUT)は、標的の結晶性にも依存しなかった。
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the spin polarization rate P He + (OUTPUT) and the scattering angle θ.
When the target was gold, the absolute value of the spin polarization rate P He + (OUTPUT) was 8% at the maximum when the scattering angle θ was 140 °.
On the other hand, when the target was lead, the absolute value of the spin polarization rate P He + (OUTPUT) reached a maximum value of 25% when the scattering angle θ = 70 °.
As described above, the scattering angle θ at which the spin polarization rate P He + (OUTPUT) having the maximum absolute value is obtained differs depending on the type of the target element. However, the spin polarization rate P He + (OUTPUT) did not depend on the incident angle α and the outgoing angle β. Further, the spin polarization rate P He + (OUTPUT) did not depend on the crystallinity of the target.

本発明は、電子スピン偏極イオンビーム発生方法及びその発生装置に関するものであり、光ポンピング法を用いず、光ポンピング法と同程度のスピン偏極率を有する電子スピン偏極イオンビームを発生させることができ、分析装置産業等において利用可能性がある。 The present invention relates to an electron spin-polarized ion beam generation method and an apparatus for generating the same, and generates an electron spin-polarized ion beam having a spin polarization rate similar to that of the optical pumping method without using the optical pumping method. Can be used in the analytical equipment industry and the like.

1…RF放電管(イオンビーム発生部)、2…希ガス元素ガス導入口、3…希ガス元素ガス排気口、4…光ポンピング照射光(直線偏光)、5…光ポンピング照射光(円偏光)、6…ビームライン、7…ビームライン排気口、8…ビームライン排気口、9…標的マニピュレータ(回転制御機構)、10…真空槽、11…(磁場補正用)3軸コイル、12…標的、13…静電アナライザ、13a…第1のアナライザ構造部、13a1、13a2…(電界印加)部材、13c1…筒部、13c1a…開口部、13c2b…開口部、13b…第2のアナライザ構造部、13b1、13b2…(電界印加)部材、13c2…筒部、14…スピン偏極器、15…2次電子増倍管、51…電子スピン偏極イオンビーム発生装置、g…回転軸。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... RF discharge tube (ion beam generating part), 2 ... Noble gas element gas introduction port, 3 ... Noble gas element gas exhaust port, 4 ... Optical pumping irradiation light (linearly polarized light), 5 ... Optical pumping irradiation light (circularly polarized light) ), 6 ... Beam line, 7 ... Beam line exhaust port, 8 ... Beam line exhaust port, 9 ... Target manipulator (rotation control mechanism), 10 ... Vacuum chamber, 11 ... (For magnetic field correction) 3-axis coil, 12 ... Target , 13: Electrostatic analyzer, 13a: First analyzer structure, 13a1, 13a2 (electric field application) member, 13c1: Tube, 13c1a: Opening, 13c2b: Opening, 13b: Second analyzer structure, 13b1, 13b2 ... (electric field application) member, 13c2 ... cylindrical part, 14 ... spin polarizer, 15 ... secondary electron multiplier, 51 ... electron spin polarized ion beam generator, g ... rotating shaft.

Claims (12)

希ガス元素イオンからなるイオンビームを発生させる工程と、
前記イオンビームを標的の一面に入射して、散乱イオンビームを出射させる工程と、
前記散乱イオンビームを静電アナライザ内に取り込んで、電界を印加して、電子スピン偏極イオンビームを発生させる工程と、を有する電子スピン偏極イオンビーム発生方法であって、
前記イオンビームを標的の一面に入射する際、前記イオンビームの入射方向と前記散乱イオンビームの出射方向の両者を含む散乱面に対して、磁場の方向が80°以上100°以下の方向となるように、前記標的に磁場を印加することを特徴とする電子スピン偏極イオンビーム発生方法。
Generating an ion beam composed of rare gas element ions;
Making the ion beam incident on one surface of the target and emitting a scattered ion beam;
Capturing the scattered ion beam in an electrostatic analyzer and applying an electric field to generate an electron spin-polarized ion beam, and an electron spin-polarized ion beam generation method comprising:
When the ion beam is incident on one surface of the target, the direction of the magnetic field is 80 ° or more and 100 ° or less with respect to the scattering surface including both the incident direction of the ion beam and the emitting direction of the scattered ion beam. as electron spin polarized ion beam generator and wherein applying a magnetic field to said target.
プラズマ法により、希ガス元素イオンを発生させることを特徴とする請求項1に記載の電子スピン偏極イオンビーム発生方法。   2. The electron spin polarized ion beam generating method according to claim 1, wherein rare gas element ions are generated by a plasma method. 前記希ガス元素がHeであることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の電子スピン偏極イオンビーム発生方法。   The method of generating an electron spin polarized ion beam according to claim 1 or 2, wherein the rare gas element is He. 前記イオンビームの入射エネルギーが1keV以上30keV以下であり、散乱角が150°であり、入射角が0°であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の電子スピン偏極イオンビーム発生方法。 The incident energy of the ion beam is at 3 0ke V less than 1 keV, the scattering angle is 0.99 °, electrons according to claim 1, wherein the incident angle is 0 ° Spin-polarized ion beam generation method. 入射角が0°であり、前記標的が、原子番号50番以上の元素群から選択される一の材料を有することを特徴とする請求項4に記載の電子スピン偏極イオンビーム発生方法。   5. The electron spin polarized ion beam generation method according to claim 4, wherein the incident angle is 0 °, and the target includes one material selected from an element group having an atomic number of 50 or more. 前記標的が、Sn、Au、Pb、Biの群から選択される一の材料を有することを特徴とする請求項5に記載の電子スピン偏極イオンビーム発生方法。   6. The method of generating an electron spin polarized ion beam according to claim 5, wherein the target has one material selected from the group consisting of Sn, Au, Pb, and Bi. 前記イオンビームの入射エネルギーが1.57keVであり、散乱角が60°以上90°以下又は110°以上150°以下の範囲内であり、入射角が(180°−散乱角)/2であり、前記標的がAuであることを特徴とする請求項1に記載の電子スピン偏極イオンビーム発生方法。 The ion beam has an incident energy of 1.57 keV, a scattering angle in the range of 60 ° to 90 ° or 110 ° to 150 °, and an incident angle of (180 ° −scattering angle) / 2. 2. The electron spin polarized ion beam generation method according to claim 1, wherein the target is Au. 前記イオンビームの入射エネルギーが1.57keVであり、散乱角が25°以上140°以下の範囲内であり、入射角が(180°−散乱角)/2であり、前記標的がPbであることを特徴とする請求項1に記載の電子スピン偏極イオンビーム発生方法。 The incident energy of the ion beam is 1.57 keV, the scattering angle is in the range of 25 ° to 140 °, the incident angle is (180 ° −scattering angle) / 2, and the target is Pb. The method of generating an electron spin polarized ion beam according to claim 1 . 希ガス元素の種類、標的材料の種類、入射エネルギー値、入射角、出射角、散乱角を同一にして、光ポンピング法による電子スピン偏極イオンビームのスピン非対称率を測定する工程を有することを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の電子スピン偏極イオンビーム発生方法。   Having a step of measuring the spin asymmetry rate of an electron spin-polarized ion beam by the optical pumping method with the same kind of rare gas element, kind of target material, incident energy value, incident angle, exit angle, and scattering angle. The method of generating an electron spin polarized ion beam according to any one of claims 1 to 8. 真空槽と、イオンビーム発生部と、前記真空槽と前記イオンビーム発生部とを連結するビームラインと、前記真空槽、前記イオンビーム発生部及び前記ビームラインを取り囲むように配置した3軸コイルと、を備えた電子スピン偏極イオンビーム発生装置であって、
前記真空槽内には略板状の標的と静電アナライザが配置されており、
前記標的は、回転制御機構により、標的の一面に平行な回転軸を中心に回転可能とされており、
前記静電アナライザは、移動制御機構により前記標的の回転軸を中心として回転移動可能とされており、
前記3軸コイルに通電する電流を調整することにより、前記標的に磁場を印加可能とされており、
前記3軸コイルは、前記磁場の方向が、前記イオンビーム発生部から発生されたイオンビームが前記標的に入射する入射方向と、前記標的で散乱された前記イオンビームが出射する出射方向の両者を含む散乱面に対して、80°以上100°以下の方向となるように、前記標的に磁場を印加することを特徴とする電子スピン偏極イオンビーム発生装置。
A vacuum chamber, an ion beam generator, a beam line connecting the vacuum chamber and the ion beam generator, and a triaxial coil disposed so as to surround the vacuum chamber, the ion beam generator and the beam line; An electron spin polarized ion beam generator comprising:
A substantially plate-like target and an electrostatic analyzer are arranged in the vacuum chamber,
The target can be rotated around a rotation axis parallel to one surface of the target by a rotation control mechanism,
The electrostatic analyzer is capable of rotating around a rotation axis of the target by a movement control mechanism,
By adjusting the current flowing through the three-axis coil, a magnetic field can be applied to the target .
The triaxial coil has both a magnetic field direction in which an ion beam generated from the ion beam generator is incident on the target and an emission direction in which the ion beam scattered by the target is emitted. versus the scattering plane containing, as a direction of 80 ° to 100 °, the electron spin polarization ion beam generator, wherein the applying child a magnetic field to said target.
前記静電アナライザが、筒部と前記筒部を取り囲むように配置された電界印加部材とからなり、前記筒部内でイオンビームに電界印加可能とされていることを特徴とする請求項10に記載の電子スピン偏極イオンビーム発生装置。   11. The electrostatic analyzer includes a cylindrical portion and an electric field applying member arranged so as to surround the cylindrical portion, and an electric field can be applied to the ion beam in the cylindrical portion. Electron spin polarized ion beam generator. 前記イオンビーム発生部が、希ガス元素ガス導入管が接続されたRF放電管であることを特徴とする請求項10又は請求項11に記載の電子スピン偏極イオンビーム発生装置。
The electron spin polarized ion beam generator according to claim 10 or 11, wherein the ion beam generator is an RF discharge tube connected to a rare gas element gas introduction tube.
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