JP5826529B2 - スピン回転装置 - Google Patents
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Description
ラーモア歳差運動の周波数 ω=eB/m
回転角度 α=Lω/v=LeB1/mv L:フィルタ長
ここで、ウィーン条件 E1=vB1 と速度の2乗 v2=3eUo/mを代入すると、
α=LE1/2Uoで表される。
V1=E1R R:中心の丸穴の半径
α=π/2(90°)、Uo=20,000V、 R=5mm、 L=80mmとして、
V1=2x20,000x5π/2x80=3926.69V
と求まる。磁場は先に示したウィーン条件から求められる。
T.Duden, E.Bauer, A compact electron-sipin-polarization manipulater, Rev. Sci. Instrum 66(4) 1995, 2861-2864. T. Kohashi, M. Konoto, K. Kike J-Electorn Microscopy 59(1)(2010)43-52. T.T.tang, Optik 74(1986) 51-56.
N1(n)=N1Sin(θ0+nθ+α)
ここで、nは極の番号、V1(n)とN1(n)はn番目の極の電圧と電流、V1とN1はウィーン条件を満たす一様場の電圧と電流、θ0は1番目の極の水平方向からの角度、θは多極子の数によって決まる角度であって360°/極数、αはスピンの向きをそれぞれ表す。
次に、説明を簡単にするために、図1の(b)の8極のウィーンフィルタを用いた場合について以下説明する。電場を発生させる電極となるのは図1(b)において左側が4と5、右側が1と8であるが、今仮に4と5の代わりに5と6を用い、1と8の代わりに1と2極を電極として用い、磁極として2と3の代わりに3と4、6と7の代わりに7と8を用いたとすれば最初と比べて45°反時計回りに回転した方向がX軸即ち電場方向となり、このウィーンフィルタを使ってスピンを回転させれば、スピンの倒れる方向は面内で45°の方向となる。同じことは次の極を使えばさらに45°回転した方向に倒すことができ、結果として90°方向にスピンを倒すことができる。
V1(n)=V1Cos(θ0+nθ+α)
N1(n)=N1Sin(θ0+nθ+α)
ここで、θ0は図1(b)のような8極子の場合は、22.5°で、θは45°、nは1〜8となる。αは、回転させたい角度である。電極1を図1(b)のように水平方向から外して置いた場合は、θ0が零でない値をとるが、電極1を水平に置いた場合は、θ0=0なる。αが零の時に回転のない普通の場合の電庄配置になる。
これまでは一様電場Elと一様磁場Blによるウィーンフィルタを使った場合を示した。この場合の電子軌道をXZ面とYZ面について描いてみるとそれぞれ図6(a)、(b)のようになる。ウィーンフィルタがオフのときには、ウィーンフィルタの中心面上でフォーカスするように外部のレンズ系によってコントロールされているものとする。ここで、XZ面ではウィーンフィルタのレンズ作用により、フォーカス位置はフィルタ中心から左に移動しているが、図6(b)に示すZY面ではY方向(磁場方向)にレンズ作用がないためフィルタをオフにしたときと同じ軌道を示している。つまり、X方向とY方向とでレンズ条件が異なることになる。図6で見る限りこの影響はそれほど深刻には見えないかもしれないが、図7に示すビーム形状を見るとフォーカスの違いは深刻であることがわかる。図7(a)はフィルタを出た後のZ=80mmと、図7(b)はフィルタの中心Z=0mmでのビーム形状を示している。フィルタを出た後の形は楕円形であり、Z=0では、フィルタがない場合はY方向では0になるようにビームを入射させているので、そのままほとんど0になっている。このように強い非点を有するビームとなってしまっては、試料に照射するための照射光学系としては使いにくくなってしまうので後の光学系でこの非点を取り除かなければならない。
R=L/(2)1/2π (2)
El=(2)3/2 πU0/L (3)
E2=π2U0/L2 (4)
Vl=rE1 (5)
V2=r2E2 (6)
V(n)=V1(n)+V2(n) (7)
V1(n)=V1Cos(θ+α) (8)
V2(n)=V2Cos(2(θ+α)) (9)
E2=2(1+l/(2)1/2 )πU0/L (10)
Bl=El/v (11)
NT=C1B1s/(μπ). (12)
NT(n)=NTSin(θ+α) (13)
このようにして4極子電場を重畳することによって、Y方向にフォーカスを作り、スピン回転器を出るビームの非点を取り去ることができる。図8(a)にZ=80mmと図8(b)にZ=0でのビーム形状を示す。また、図9には、ZX面とZY面の電子軌道を示す。ただし、この場合、実際には
V(n)=Vl(n)+CV2(n)
として、係数Cを掛けた値を入れてある。図8の場合、C=0.875であった。なぜ、計算値より加える4極場の値が少なくてよいかという理由は、フリンジ場の作用にある。
図11は、本発明のスピン回転説明図(その10)を示す。この図11は、本発明のウィーンフィルタの例である。スピン回転器として使用するウィーンフィルタは超高真空中で使われることが多いため、図1で説明したように、磁場発生のためのコイルを真空の外に出すことが求められる。図11に示した例では各極を2つに分割し、内側と外側の極の間に真空容器2としてのパイプ(非磁性)を入れる構造としている。もちろん、内側の各極1と真空パイプの間には絶縁体を置いて、内側の各極1が電気的には絶縁されている必要がある。ただ、この構造の欠点は、真空容器が金属製となるため、多極子電場は真空容器より内側だけの構成となるのに対し、磁場コイルは真空パイプの外の極3に巻かれるので、多極子磁場は真空容器の外にまで伸びており、電場と磁場を構成する各極の長さが異なることである。しかし、真空容器が電場・磁場を作る空間・ギャップの直径の4倍以上を取ればこの電極と磁極の長さの違いは実用的には問題とならないことを見出した。
今まではスピンの向きが電子ビームの進行方向Zに対して平行なビームを90°偏向し、その時にビーム進行方向に垂直なXY面内のどの方向にスピンを倒すかを自由に選ぶことのできる装置について述べてきた。
2:真空容器(ヨーク)
3:磁極
4:ヨーク
Claims (6)
- 電子銃あるいは試料から、放出あるいは反射あるいは透過されたスピン偏極した電子線を任意の方向に回転させるスピン回転装置において、
前記電子銃から放出、あるいは試料から放出または反射されたスピン偏極した電子線をフォーカスさせる第1のコンデンサレンズと、
前記第1のコンデンサレンズで前記電子線がフォーカスされた点がレンズ中心あるいはレンズ中心付近であって、かつ電場および磁場を発生可能な、4を除く4の整数倍の極からなる多極子を有するスピン回転器と、
前記スピン回転器を構成する多極子に、指定された角度だけ前記電子線のスピンを回転させかつ電子線を直進させるウィーン条件を満たす下式で表される電圧および電流を発生する電圧・電流発生手段と、
前記スピン回転器でスピンの回転された電子線をフォーカスする第2のコンデンサレンズと
を備えたことを特徴とするスピン回転装置。
V1(n)=V1Cos(θ0+nθ+α)
N1(n)=N1Sin(θ0+nθ+α)
ここで、nは極の番号、V1(n)とN1(n)はn番目の極の電圧と電流、V1とN1はウィーン条件を満たす一様場の電圧と電流、θ0は1番目の極の水平方向からの角度、θは多極子の数によって決まる角度であって360°/極数、αはスピンの回転角度をそれぞれ表す。 - 前記多極子に、非点を補正する4極子の電場または磁場のうちの1つ以上を供給したことを特徴とする請求項1記載のスピン回転装置。
- 前記多極子を構成する磁場の極を、内側と外側に分離してその間に耐真空用の隔壁を設けて外側の極にコイルを巻いたことを特徴とする請求項1から請求項2のいずれか1に記載のスピン回転装置。
- 前記耐真空用の隔壁の内側の極の長さを、電子線が通過する中心部の円の直径の4倍以上の長さにして、電極と磁極との形状違いによるウィーン条件の違いを低減したことを特徴とする請求項3に記載のスピン回転装置。
- 前記電子線のスピンの回転角度を、当該電子線の進行方向Zと直角方向のXY面に偏向、およびXY面内で任意の向きに偏向することを特徴する請求項1から請求項4のいずれか1に記載のスピン回転装置。
- 前記試料を、磁性体試料あるいはトポロジカル絶縁体としたことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1に記載のスピン回転装置。
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