JP6757036B2 - 静電レンズ、並びに、該レンズとコリメータを用いた平行ビーム発生装置及び平行ビーム収束装置 - Google Patents
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Description
また、阻止電位型エネルギー分析器を、光電子回折測定に利用する際に障害となるのが蛍光X線である。阻止電位ではX線が除去できず、荷電粒子の取り込み角を大きくするほど蛍光X線の量が増え、バックグラウンドとなってしまうといった問題があった。
また、荷電粒子の取り込み角が±30°未満であると、光電子回折や光電子ホログラフィーといった原子配列構造解析が困難であるが、取り込み角が±30°以上の広立体角の測定ができると原子配列構造解析が可能になる。
また、非球面メッシュの負の球面収差補正作用を応用し、複数の電極を用いて最適な電場を作り出すことで、球面メッシュを用いるよりも広い取り込み角を実現できる球面収差補正静電型レンズが知られている(特許文献4を参照)。
しかし、非球面メッシュの負の球面収差補正作用を応用し、正の球面収差を生じる収束電場によってビームを集束させるレンズはサイズが大きく、電子分光装置など装置に組み込む際に大きなスペースを必要とするといった不都合がある。
また、本発明は、広い立体角の放射ビームを平行化して、光電子回折角度分布の高感度および高エネルギー分解能を実現する装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、上記の静電レンズを用いて、特定の運動エネルギーの平行荷電粒子流を一点に集光できるコンパクトな平行ビーム収束装置を提供することを目的とする。
(a)非球面メッシュは、メッシュ開口部の中心近傍からメッシュ中心の位置までを長軸半径とする回転楕円体、又は、メッシュ開口部近傍が内側に凸の曲率で拡がる形状の実質的回転楕円体である。
(b)メッシュに接続されるメッシュ電極の開口部半径と、単一乃至は複数の電極の内、メッシュ電極に隣接する第一電極の開口部半径の比は、1.2以上1.6以下である。
(c)回転楕円体における長軸半径と短軸半径との比は、1.0より大きく2.0以下である。
(d)点源から発生した荷電粒子の取り込み角が±60°で、荷電粒子の軌跡を光軸からのズレ角が±1°以下に平行化する。
本発明の平行ビーム発生装置は、上述の本発明の静電レンズと、該レンズと同軸に配置される平面コリメータプレートとから構成される。そして、点源から発生した荷電粒子の取り込み角が±60°で、荷電粒子の軌跡を光軸からのズレ角が±1°以下に平行化している。そして、荷電粒子の軌跡が軸に対して平行化された後で、荷電粒子が平面コリメータプレートに対して略垂直に入射するように、静電レンズと平面コリメータプレートが共軸に配置されている。
本発明の静電レンズによって、点源から放出される荷電粒子を広立体角範囲にわたり取り込み、荷電粒子の軌跡を高い平行度で平行化する。平行化された荷電粒子は、平面コリメータプレートに略垂直に入射することにより、さらに平行化の度合いが向上する。
本発明の平行ビーム発生装置は、電極に負電位を印加すれば電子の分析を、正電位を印加すれば陽イオンの分析ができる。電極電位は、直流電源1kVに対して50mV以下の精度で安定した制御を行う。
バンドパスフィルターとして機能することで、蛍光スクリーンを用いてスクリーンに投影される強度分布をそのまま特定のエネルギーの角度分布模様のデータとして取り扱うことができる。バンドパスフィルターの分解能としては、ΔE/E=0.5〜1%程度である。
平面コリメータプレートが、バンドパスフィルターとして機能するためには、上述の静電レンズによって、特定のエネルギーの荷電粒子の軌跡のみが平行化され、平面コリメータプレートに入射することが必要である。
アバランシェ電流により増幅することにより、高感度測定が可能である。
アスペクト比が大きいほど、平面コリメータプレートから出射するビームの平行度が増すことになる。また、開口率が透過率に影響するため、開口率は大きく方が良い。
例えば、アスペクト比が1:10で、開口率50%以上の場合において、コリメータ径50mmに対して、孔径50μmの場合は、角度分解能の上限が、0.1°となる(角度分解能が約0.1°となる)。コリメータの半径25mmが出射角度50°に対応し、角度分解能の上限は50°/(25mm/50μm)=50°/500=0.1°となる。
電極および平面コリメータプレートの電位を掃引することにより、荷電粒子の角度分布のスペクトルを効率的に測定できる。
特定の運動エネルギーの荷電粒子が蛍光スクリーン上で輝点に変換され、カメラにより2次元分布模様として画像計測できる。また、平面コリメータプレートは、蛍光スクリーンに角度分布を投影する際の出口スリットの役割を担うことになる。小型で簡便な高エネルギー分解能の投影型分析器を実現でき、様々な分析に応用できる。これにより角度分布測定分析装置として用いることができる。
角度分布測定分析装置において、ディレイライン検出器(delay line detector)が更に設けられ、上述の平面コリメータプレートから出射する特定の運動エネルギーの個々の荷電粒子の出射角方向と到達時間を、ディレイライン検出器で個別に計測して時間分解画像計測することでも良い。
平面阻止電位グリッドと組み合わせ、ロックイン検出することにより、更に高エネルギー分解能(ΔE/E=0.01〜0.1%)の測定が実現できる。平面コリメータプレートによるバンドパスフィルターのエネルギー分解能は相対値となり、1%のエネルギー分解能の場合、100eVに対して1eV、1keVに対して10eVの分解能となる。また、ロックイン検出による測定のエネルギー分解能は変調電場で決まる絶対値となり、100mVの変調電場の場合、100eVに対して0.1%、1keVに対して0.01%の分解能となる。従来の阻止電場型の装置では、S/B比(Signal/Background ratio)が悪いのと平面のマイクロチャンネルプレートによる増幅ができないため、ロックイン検出では、変調電場は1Vから10Vを使用する。本発明における平面コリメータプレートによるバンドパス方式では、高S/B比、高増幅が可能となるため、変調電場を100mVまで小さくすることが可能である。
従来、大面積の試料表面をイオンスパッタする際、集束イオンビームを2次元走査するか、或は、非集束させビーム径を大きくしていたが、いずれの場合も、中心から離れた場所ではビームが試料表面に垂直に当らないため、例えば、マスクを用いたパターン加工の際、端部がだれてしまい、高アスペクト比の成型は困難であった。本発明の平行ビーム発生装置では、広立体角範囲でイオンを取り込み、単一の運動エネルギーの大口径平行イオンビームを生成することが可能であり、生成された大口径平行イオンビームによる表面照射によって、マスクを用いたパターン加工の際に、端部がだれることがなく、高アスペクト比の成型ができ、形状の精密制御エッチングを可能とする。
かかる構成によれば、広立体角のX線検出器を実現できる。
上述の本発明の平行ビーム発生装置において、入口と出口を逆にすると、コリメータプレートにより特定の方向の荷電粒子流を取り出して、特定のエネルギーの粒子だけを静電レンズで一点に集光し強度を計測する平行ビーム収束装置として利用することができるのである。
また、本発明の平行ビーム発生装置は、小型化が可能であり、他の分析器に組み込むのが容易であり、例えば、SEM(走査電子顕微鏡)と組み合わせると特定のエネルギーのみ選別する元素選択的な結晶構造観察を実現できる。
試料プレート20に対して励起ビームを照射すると、照射点となる点源7から一定の開き角をもって、荷電粒子(電子あるいはイオン)が放出される。
本実施例の平行ビーム発生装置では、点源7から発生した荷電粒子の取り込み角は±58°程度まで、荷電粒子の軌跡が静電レンズにより平行化されるように、非球面メッシュ2のメッシュ形状と5つの電極(10〜14)の電位及び配置が調整されている。そして、荷電粒子の軌跡が軸に対して平行化された後で、荷電粒子が平面コリメータプレート3に対して垂直に入射するように、静電レンズと平面コリメータプレート3とが共軸に配置される。
図1に示すように、蛍光スクリーン4を設けて、平面コリメータプレート3から出射する特定の運動エネルギーの荷電粒子を、蛍光スクリーン4によって輝点に変換し、それをカメラで画像化しエネルギー分布を計測することができる。
点源から放出する荷電粒子に対して、相対的に中心軸方向の力が増大するように電場を生成すべく、メッシュの形状は球面ではなく、軸方向に長軸をもつ回転楕円面に近い形状としている。
図5は1030eVのエネルギーの電子の軌跡であり、図6は970eVのエネルギーの電子の軌跡である。
各々の電極の電位は、図1の場合と同じで、電極10が0V,電極11が−520V,電極12が−780V,電極13が−888V,電極14が−914.5V,電極15が−950Vである。
図5(1)及び図6(1)に示す電子の軌跡と、図5(3)及び図6(3)に示すグラフからわかるように、電子のエネルギーが大きくなれば、平行よりも拡がるビームになっており、反対に、電子のエネルギーが小さくなれば、平行よりも収束するビームになっている。
図9(1)〜(5)は、同一形状の非球面メッシュを用いた静電レンズにおいて、入射角75°の入射光による点源から出射する電子の軌跡を示している。入射角75°の入射光は、出射電子の通路と干渉しないようにするためである。図9(1)〜(5)は、静電レンズの電極数がそれぞれ異なっている。非球面メッシュに接続されるメッシュ電極はアース電位に固定され、マイナス電位の電極が単一あるいは複数配置されている。すなわち、メッシュ電極以外の電極は、マイナス電位になっている。図9(1)は電極数が1、図9(2)は電極数が2、図9(3)は電極数が3、図9(4)は電極数が5、図9(5)は電極数が6である。なお、図9において、アース電位に固定されているメッシュ電極は電極数から除いている。
シミュレーションの結果、点源からの出射角度60°付近までを確実に平行化するためには、図9(4)又は図9(5)の5電極以上が必要である。しかしながら、汎用の用途であれば、図9(1)の単一の電極でも略平行化できており、十分に実用化可能であることを確認した。
電極数が多くなるにつれ、長軸対短軸の比が小さくなり、球面に近づく。メッシュ開口部付近の内側に凸の曲率で広がる形状を導入することにより、点源からの出射角度60°付近までを確実に平行化することができる。
イオンエッチング(Ion Etching)装置は、半導体微細素子製作、切削工具、部品等のコーティング皮膜除去、微細バリ除去、先端形状加工、金属材料表面に付着した汚れ除去、金属材料表面の活性化を行うものであり、イオンビーム源から出射したイオンビームを、エッチング材料表面の原子と化学反応させ、或は、エッチング材料表面を物理化学的に削り、材料表面の形状をエッチングする。
X線や電子線で内殻準位を励起すると、生成された内殻空孔に価電子などが緩和し、その余剰のエネルギーを得てオージェ電子や蛍光X線が放出される。平均自由行程の短いオージェ電子は試料表面付近から、平均自由行程の長い蛍光X線は結晶内部からも放出される。X線吸収分光測定では、X線の吸収強度に比例してオージェ電子と蛍光X線が同時に放出されるが、これまで別の検出器を用いてオージェ電子収量法X線吸収測定と蛍光X線収量法X線吸収測定が行われてきた。蛍光X線は、電場に関わらず直線状に進むので、従来の球面メッシュを用いた阻止電位型電子分析器ではすべて蛍光スクリーンに到達し除去することはできない。
このように、本発明では印加する電場を反転させるだけで同じ検出器でオージェ電子と蛍光X線を計測することができ、表面と結晶内部の深さに依存したX線吸収分光の情報が得られる検出器となるのである。
平行ビーム収束装置は、図1に示す構成と同様に、集光点に対し凹面状を有する軸対称な非球面メッシュ2および軸対称な単一乃至は複数の電極から成る静電レンズと、静電レンズと同軸に配置される平面コリメータプレート3とから構成され、平面コリメータプレート3に対して略垂直に入射する特定の運動エネルギー荷電粒子の出射後の軌跡が、静電レンズにより集光点に集光するように、非球面メッシュ2の形状とアース電極10と印加電極(11〜15)の電位及び配置が調整されている。
各電極10〜15の電位は、実施例1の場合と同じで、電極10が0V(アース電位に固定),電極11が−520V,電極12が−780V,電極13が−888V,電極14が−914.5V,電極15が−950Vである。
非球面メッシュの形状は、メッシュ開口部の中心付近からメッシュ中心の位置までを長軸とする略回転楕円体で、メッシュ開口部付近は内側に凸の曲率で広がる形状である。
本発明の静電レンズでは、光学系は複数の電極からなり、そのうち少なくとも1つに、物面に対して凹面形状を有する非球面メッシュが設けられる。この非球面メッシュは、点源から出た荷電粒子を広い立体角度にわたって取り込み、取り込んだ荷電粒子の軌道を高い平行度で平行化する。
また、アース電位に固定されたメッシュ電極を除く電極数について、平行化する取り込み角が±50°程度以下でよい場合や、あまり高い平行度を必要としない場合は、最少で1つでも構わない。
以下では、非球面メッシュの形状を回転楕円面で設計されるもので、電極数が1〜5の静電レンズについて、それらの荷電粒子の軌跡と平行度について説明する。
図12(1)は光軸を含む断面図であり、太い実線によって電極および非球面メッシュの内面形状を表している。点線は等電位線、細い実線は荷電粒子の軌道を表している。入射角は5°ステップで−55°〜55°まで描いている。
メッシュ電極(G)には、回転楕円面形状のメッシュが接続されている。回転楕円面の長軸短軸比は1.79としている。第一電極(EL1)の終端部は、平面コリメータに対応する。メッシュ電極(G)と第一電極(EL1)に印加される電圧は、1keVの電子に対して、それぞれ、0Vと−775Vである。
図12(2)は、図12(1)に示した荷電粒子の軌道の終点での角度(光軸からの角度)を、非球面メッシュへの入射角(Initial angle)に対してプロットしたものである。入射角−55°〜55°の荷電粒子が、光軸とのなす角度が0.8°程度まで平行化されることがわかる。
図13(1)に示す電極数2の静電レンズは、図12(1)における第一電極(EL1)をメッシュ電極(G)の側で2つに分割したものである。荷電粒子の軌跡ついて、図13(1)と図12(1)とを比較すると、図12(1)では、平行化の結果、軌道間隔が広角度側でかなり狭くなっているのに対し、図13(1)では、平行化の結果、軌道間隔がほぼ等間隔の軌道になっていることがわかる。
また、図13(2)は、図13(1)に示した軌道の終点での角度(光軸からの角度)を入射角に対してプロットしたものであるが、入射角−55°〜55°の荷電粒子が、光軸とのなす角度が0.6°程度まで平行化されることがわかる。
図14(1)に示す電極数3の静電レンズは、図12(1)における第一電極(EL1)をメッシュ電極(G)の側で3つに分割したものである。荷電粒子の軌跡ついて、図14(1)と図12(1)とを比較すると、図12(1)では、平行化の結果、軌道間隔が広角度側でかなり狭くなっているのに対し、図14(1)では、平行化の結果、軌道間隔がほぼ等間隔の軌道になっていることがわかる。
また、図14(2)は、図14(1)に示した軌道の終点での角度(光軸からの角度)を入射角に対してプロットしたものであるが、入射角−55°〜55°の荷電粒子が、光軸とのなす角度が0.6°程度まで平行化されることがわかる。
非球面メッシュの形状に注目すると、電極数が増えることによって、適切な非球面メッシュの形状が、長軸短軸比のより小さい回転楕円面に変化する。図13(1)と図14(1)の例では、回転楕円面の長軸短軸比は、それぞれ1.66と1.62である。一般に、メッシュへの入射が垂直に近いほど透過率は高くなる。したがって、長軸短軸比のより小さいメッシュの方が高い透過率を実現する上で有利である。また、メッシュ電極を高い精度で作製する上でも長軸短軸比は小さい方が望ましい。
図15(1)に示す電極数4の静電レンズは、図14(1)における第三電極(EL3)を円筒部で2つに分割したものである。
図16(1)に示す電極数5の静電レンズは、図14(1)における第三電極(EL3)を円筒部で2つに分割し、さらに終端部を円筒部から分割し、第五電極(EL5)としたものである。
図15〜図17における減速比は、それぞれ、0.15, 0.1, 0.05である。低い減速比を達成するには、円筒部は1個の電極ではなく、図15〜図17のように複数の電極によって構成されることが好ましい。図15〜図17において、回転楕円面の長軸短軸比は、それぞれ、1.59, 1.49, 1.37である。減速比が低くなると、適切なメッシュの形状は、長軸短軸比のより小さい回転楕円面になることがわかる。
図12〜17において、得られる荷電粒子の軌道の光軸とのなす角度は0.3〜0.8°程度であるが、この平行度は、非球面メッシュ形状を回転楕円面ではなく、適切な多項式関数によって表すことにより大幅に改善できる。これについては、次の実施例8で説明する。
より詳しくは、非球面メッシュ形状は、同じ長軸半径と短軸半径の回転楕円体の形状と比べ、長軸からの半径方向のズレが半径距離の5%以下であり、また、点源とメッシュ形状表面とを結ぶ軸と長軸との成す角度が40°より大きい位置に、上記半径方向のズレを角度について一階微分しプロットしたものの変曲点が存在する。
具体的には、非球面メッシュ形状は、下記の多項式関数の数式で表されるdmeshにより表すことができる。
多項式関数の次元nは5とし、各パラメータの値は下記表1の通りである。
(2)非球面メッシュに接続されアース電位に固定されたメッシュ電極の開口部半径R1と、メッシュ電極に隣接する第一電極の開口部半径R1との比(R2/R1)は、1.2以上1.6以下が好ましい。
(3)メッシュ電極を除く電極数(以下、同じ)が1で、減速比が0.1以上0.3以下の場合、回転楕円面の長軸短軸比は1.69以上1.89以下が好ましい。
(4)電極数が2で、減速比が0.1以上0.3以下の場合、回転楕円面の長軸短軸比は1.56以上1.76以下が好ましい。
(5)電極数が3で、減速比が0.1以上0.3以下の場合、回転楕円面の長軸短軸比は1.52以上1.72以下が好ましい。
(6)電極数が4で、減速比が0.1以上0.3以下の場合、回転楕円面の長軸短軸比は1.49以上1.69以下が好ましい。
(7)電極数が5以上で、減速比が0.1以上0.3以下の場合、回転楕円面の長軸短軸比は1.39以上1.59以下が好ましい。
(8)電極数によらず、減速比が0.01以上0.1未満の場合、回転楕円面の長軸短軸比は1.0より大きく1.5未満が好ましい。
(9)より高い平行度、具体的には±0.3°程度以下の平行度が必要な場合、非球面メッシュ形状は、回転楕円面ではなく、回転楕円面からのズレが5%程度以下で、高角度側に変曲点をもつ滑らかな曲線によって設計されることが好ましい。
また、本発明の平行ビーム収束装置は、特定のエネルギーの粒子だけを静電レンズにより一点に集光させてエネルギー強度を計測する荷電粒子流方位・エネルギー計測に有用である。
2 非球面メッシュ
3 平面コリメータプレート
4 蛍光スクリーン
5 軸
6 軌跡
7 点源
8 磁気遮蔽カバー
10〜17 電極
20 試料プレート
21 励起ビーム誘導管
30 ロックイン変調電場
31 平面マイクロチャンネルプレート
32 阻止電位グリッド
Claims (17)
- 点源又は集光点に対し凹面状を有する軸対称または実質的に軸対称な非球面メッシュおよび軸対称または実質的に軸対称な単一乃至は複数の電極から成る静電レンズであって、
前記非球面メッシュは、メッシュ開口部の中心近傍からメッシュ中心の位置までを長軸半径とする回転楕円体、又は、メッシュ開口部近傍が内側に凸の曲率で拡がる形状の実質的回転楕円体であり、
メッシュに接続されるメッシュ電極の開口部半径と、前記単一乃至は複数の電極の内、前記メッシュ電極に隣接する第一電極の開口部半径の比は、1.2以上1.6以下であり、
前記回転楕円体における長軸半径と短軸半径との比は、1.0より大きく2.0以下であり、
点源から発生した荷電粒子の取り込み角が±60°で、荷電粒子の軌跡を光軸からのズレ角が±1°以下に平行化することを特徴とする静電レンズ。 - 前記実質的回転楕円体のメッシュ形状は、
同じ長軸半径と短軸半径の回転楕円体の形状と比べ、長軸からの半径方向のズレが半径距離の5%以下であり、
点源とメッシュ形状表面とを結ぶ軸と長軸との成す角度が40°より大きい位置に、上記半径方向のズレを角度について一階微分しプロットしたものの変曲点が存在する、
ことを特徴とする請求項1に記載の静電レンズ。 - 前記実質的回転楕円体のメッシュ形状は、多項式関数である下記数式で表されるdmeshにより表されることを特徴とする請求項1又は2に記載の静電レンズ:
- 請求項1〜3の何れかの静電レンズと、前記静電レンズと同軸に配置される平面コリメータプレートとから構成され、
点源から発生した荷電粒子の取り込み角が±60°で、荷電粒子の軌跡を光軸からのズレ角が±1°以下に平行化した後で、荷電粒子が平面コリメータプレートに対して略垂直に入射するように、前記静電レンズと前記平面コリメータプレートが共軸に配置されたことを特徴とする平行ビーム発生装置。 - 前記平面コリメータプレートが、特定の運動エネルギーの荷電粒子のみを選別するバンドパスフィルターとして機能することを特徴とする請求項4に記載の平行ビーム発生装置。
- 平板に微小な光電子増倍管を束ねた平面マイクロチャネルプレートが更に設けられ、前記平面コリメータプレートから出射する特定の運動エネルギーの荷電粒子をアバランシェ電流により増幅することを特徴とする請求項5に記載の平行ビーム発生装置。
- 前記平面コリメータプレートは、アスペクト比(孔径と孔長の比)1:5乃至1:20である細孔が開口率50%以上で設けられたことを特徴とする請求項4〜6の何れかに記載の平行ビーム発生装置。
- 前記電極および前記平面コリメータプレートの電位を掃引する掃引手段が更に設けられたことを特徴とする請求項4〜7の何れかに記載の平行ビーム発生装置。
- 請求項4〜8の何れかに記載の平行ビーム発生装置に、蛍光スクリーンとカメラ手段が更に設けられ、前記平面コリメータプレートから出射する特定の運動エネルギーの荷電粒子の角度分布を、前記蛍光スクリーン上で輝点に変換して前記カメラ手段で画像計測することを特徴とする角度分布測定分析装置。
- グリッドに印加する直流電圧を変化させて、グリッドを通過する荷電粒子による電流の変化をロックイン検出する平面阻止電位グリッドが更に設けられ、前記平面コリメータプレートから出射する特定の運動エネルギーの荷電粒子を検出することを特徴とする請求項9に記載の角度分布測定分析装置。
- ディレイライン検出器(delay line detector)が更に設けられ、前記コリメータプレートから出射する特定の運動エネルギーの個々の荷電粒子の出射角方向と到達時間を、前記ディレイライン検出器で個別に計測して時間分解画像計測することを特徴とする請求項9に記載の角度分布測定分析装置。
- 請求項9〜11の何れかの荷電粒子エネルギーの角度分布測定分析装置が組み込まれた電子分光装置、電子回折装置、光電子分光装置、光電子回折装置、陽電子分光装置、陽電子回折装置、イオン脱離角度分布測定装置、結晶構造分析装置、材料表面分析装置、及び固体物性分析装置の群から選択される装置。
- 請求項4〜8の何れかの平行ビーム発生装置が、単一エネルギーの大口径平行イオンビーム源として組み込まれたイオンエッチングもしくはイオンスパッタリングを行う精密イオンエッチング装置。
- 請求項9の角度分布測定分析装置において、前記平面コリメータプレートを負電位、前記蛍光スクリーンを正電位とし、前記平面コリメータプレートで発生する電子を増幅することを特徴とする広立体角X線検出器。
- 請求項1〜3の何れかの静電レンズと、前記静電レンズと同軸に配置される平面コリメータプレートとから構成され、
前記平面コリメータプレートに対して略垂直に入射する特定の運動エネルギー荷電粒子の出射後の軌跡が、前記静電レンズにより前記集光点に集光するように、前記静電レンズと前記平面コリメータプレートが共軸に配置されたことを特徴とする平行ビーム収束装置。 - 前記平面コリメータプレートは、アスペクト比(孔径と孔長の比)1:5乃至1:20である細孔が開口率50%以上で設けられたことを特徴とする請求項15に記載の平行ビーム収束装置。
- 請求項15又は16の平行ビーム収束装置が複数配置され、前記平面コリメータプレートが、特定の運動エネルギーの荷電粒子のみを選別するバンドパスフィルターとして機能し、前記平面コリメータプレートにより特定方向の荷電粒子流を取り出し、特定のエネルギーの粒子だけを前記静電レンズにより一点に集光させてエネルギー強度を計測する荷電粒子流方位・エネルギー計測装置。
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