JPH0340358A - 荷電粒子の計数方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、材料表面の物理計測をはじめとして多岐の
分野で必要となる電子、イオン等の荷電粒子の精密計数
に関連し、特に数十ナノ秒程度以内の短時間に発生する
粒子の有・効な粒子数の計数方法に関する。

（従来の技術） 従来、荷電粒子の個数（強度）の計測装置としては、第
３図〜第５図のようなもの々≦用いられている。

第３図は、荷電粒子が連続的に入射し、且つその個数が
多いときに用いられている方法で、荷電粒子ｌを電流コ
レクター２に集め、荷電粒子１によって運ばれる電荷を
電流計３を用いて計測するものである。

この方法は測定系が簡単であり、入射荷電粒子の個数が
多い場合には、信頼性の高い計測ができるという利点が
ある。

入射粒子の個数が少なく電流測定の限界に近い微小電流
領域では、第４図に示すように荷電粒子の電荷増倍機能
を持つ１例えば電子増倍管４等をコレクター２のｉｉｉ
部に設置し、電子増倍管４には高圧電源５を印加して、
電子増倍管４に入射する荷電粒子の全電流量を増やして
電流計３で測定する方法も行なわれている。

この方法によれば、電子増倍管４内に入射した１個の荷
電粒子ｌは対陰極に衝突する毎に複数の二次電子を放出
し、最終的には１０’〜１０’個程度の電子が発生でき
るので、入射粒子の個数が比較的少ない（電流量相当で
ピコアンペア程度）場合でも、信号レベルを高めて測定
できる利点がある。

以上のような電流測定という全量的な計測方法に対して
、第５図に示すようにコレクター２の後段に電荷パルス
アンプ６、パルス計数システム７を設置し、荷電粒子１
が電子増倍管４に入射する毎に発生する、チャージパル
スの数を計数する粒子計数の方法（パルスカウント法）
ち利用されている。

この方法は計数された個数を入射粒子の絶対数に対応さ
せることができ、しかも入射粒子の個数が少ない場合に
も信頼性の高い粒子計数ができる利点を有している。

（発明の解決しようとする問題点） しかしながら、上記従来方法には、それぞれ次のような
問題点がある。

先ず、第１の方法では入射する荷電粒子が少なく、また
パルス的に荷電粒子が入射するような場合、使用できる
電流計の応答特性等から、荷電粒子の個数を電流量とし
て正しく計れなくなる０例えば、通常入手できる電流計
では、感度の高いものでも、電流強度で１０−”　Ａ程
度（入射荷電粒子個数で毎秒１０’個程度）が限界値で
ある。

一方、第２の方法では、全体の信号レベルが高まり電流
測定の条件は緩和されるものの、荷電粒子検出に使用す
る電子増倍管４の増倍率の絶対値が未知であるため、入
射荷電粒子の個数の絶対値を正しく求めることができな
い、また、電荷増倍過程で電子増倍管４の増倍率が統計
的にゆらぐことが避けられないところから、増倍率が個
々の荷電粒子ごとに変化し、したがって電子増倍管４に
入射した粒子の数が同じであってち、異なる出力電流と
して測定されてしまう恐れがある。更に、荷電粒子がパ
ルス的に発生する場合、この方法で電荷を測定しようと
すると、電子増倍管の後に接続する電流計の応答特性に
問題が残る。

また、第３の方法では計数された個数は入射粒子の絶対
数に対応させることができるものの、電子増倍管の持つ
不感時間と、パルス計数システムの応答特性から、計数
率が高々数十ナノ秒に数個までと制限され、それより多
数の粒子が入射する場合には計数ロスがおこる。

したがって、上記従来の方法のいずれにおいても１例え
ばパルスレーザによりイオン化された粒子などのように
数十ナノ秒と非常に短い時間内に数個から数百側程度の
比較的少数個発生する荷電粒子には信頼性の高い計数が
できないという、大きな問題点があった。

そこで、この発明は短時間に荷電粒子が上述のように比
較的少ｖ１個発生する場合、或いは多数個発生する場合
にも信頼性の高い計数ができるような荷電粒子の計数方
法を開発することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 以上の問題点を解決するため、この発明では短時間に複
数個発生した荷電粒子を空間に分布させ、分布した荷電
粒子を画面上に結像させ、結像した画像を処理して画面
上の粒子数を計数する方法を提案するものである。

また、この発明では短時間に複数個発生した荷電粒子の
うち特定の荷電粒子数を計数するために、上述のように
空間に分布された荷電粒子を飛行時間型質量分離器内を
通過させて上記荷電粒子をその質量差に応じた時間遅れ
でゲートに到達させ、該ゲートでは飛来する荷電粒子の
うち検出対象とする荷電粒子のみを通過させて画面上に
結像させ、結像した画像を処理して画面上の粒子数を計
数する方法を提案するものである。

この発明において、例えば数十ナノ秒以内という短時間
の間に数個から数百側程度の比較的少数個発生する荷電
粒子を計数対象とすることができるほかに、子側程度の
比較的多数個発生する荷電粒子を６計数対象とすること
ができる。

先ず、発生した荷電粒子は例えば静電型レンズ内をデフ
ォーカスの条件で通過させて空間的に分布させ、分布さ
れた荷電粒子は蛍光スクリーンなどの画面上に結像させ
る。

ここで、荷電粒子を結像させる画面は蛍光スフノーンに
限られるものでなく、空間に分布する荷電粒子を輝点と
して結像できるものであればよい。

また、画面上に結像される輝点の明度を高めるために１
画面の前に電荷増倍機能を有するマイクロチャンネルプ
レートなどを配置してもよい。

画面上に結像された輝点の像はＣＣＤカメラなどを用い
て画像として撮り込む。

次に、フレームバッファ等で画像を記憶し、更に画面上
の輝点の計ｖｉ機能を持つ画像処理ユニット、例えばパ
ーティクルカウンターで輝点の数、即ち荷電粒子の数を
計数する。

また、この発明においては特定の荷電粒子数を計数する
ためば、″上述のように空間に分布された荷電粒子を飛
行時間型質量分離器内を通過させて該分離器内で荷電粒
子に質量差による時間遅れを生じさてゲートに到達させ
、該ゲートでは飛来する荷電粒子のうち検出対象とする
荷電粒子のみを通過させて画面上に結像させるものであ
るが、ここでゲートとしてはメツシュ電極などが用いら
れ、この電極には通常は入射粒子に対する反発電界を印
加し、検出対象の元素が到達する時間だけ引き込み用の
電界をパルス的に印加するちのである。

（作用） 即ち、この発明においては空間に分布した荷電粒子を画
面上に結像し、更に画像上の輝点として“凍結”してか
ら、輝点の数、即ち荷電粒子の数を計数するため、粒子
計数に時間を掛けても計数ロスを生ずることがない。

また、この発明においては数十ナノ秒に子細程度荷電粒
子が入射された場合にち、荷電粒子が空間的に重なりが
ないほどに十分に分散されて画面上に結像されていれば
、数え落しを極力少なくし、かつ実効的な計数率を大幅
に高めて有効な計数を行なうことができる。

更に、この発明では画面上の輝点の数を数えて荷電粒子
を計数し、輝度の明度差は計数に影響しないため、画面
の前面にマイクロチャンネルプレートを配置した場合、
その増倍率変動が計数値に影響を与えることはない。

（実施例） 以下、この発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明す
る。

画像処理を利用したこの発明による荷電粒子計数方法を
、エキシマレーザ（パルス幅：３０ナノ秒程度）により
生成されたイオンの計数に適用した例を第１図に示す。

エキシマレーザ８の集光空間で生成されたイオンは、静
電型のレンズ９によりデフォーカスの条件で、スクリー
ン上に照射される。スクリーンは、２段のマイクロチャ
ンネルプレートｌＯを荷電粒子の入射側に配置し、その
出力側に蛍光寿命ミリ秒程度の蛍光面１１を配置して構
成される。なお、この実施例ではマイクロチャンネルプ
レートｌＯは、１つのチャンネル径が十ミクロン程度で
有効径を３０＋ａｍ以上とし、入力可能なチャンネル数
を百方程度になるようにしである。また、２段配置のマ
イクロチャンネルプレートｌＯによる広がり分を考慮に
入れると、ｉＩ点の大きさは、蛍光面１１上で百ミクロ
ン程度以下となる。

この蛍光面ｔｉ上に輝点として現われる入射イオンの空
間分布像を、ミリ秒程度のシャッター機能を有するＣＯ
Ｄカメラ１２を用いて画像として撮り込み、その画像は
フレームバッファ１３に格納される。フレームバッファ
１３の像は、パーティクルカウンターなどの画面上の輝
点の計数機能を有する画像処理ユニット１４で計数する
。

なお、これらのエキシマレーザ８、シャッタ機能付ＣＣ
Ｄカメラ１２、フレームバッファ１３、パーティクルカ
ウンター１４は、全てパーソナルコンピュータ１５を用
いて同期動作させてエキシマレーザ８の数十Ｈｚ程度の
高繰り返し発振にも対応できるようにしである。

一方、エキシマレーザ８を利用して発生した荷電粒子の
うち特定元素の粒子数を計数する場合には、第２憫に示
すように、静電型レンズ９とマイクロチャンネルプレー
ト１０の間に飛行時間型質量分離器１６とメツシュ電極
１７を設置する。

この場合、デフォーカス条件下の静電型レンズ９で空間
に分布された荷電粒子ｌは質量分離器１６内で質量差に
応じた飛行時間差を生じてメツシュ電極１７に到達する
。更に、メツシュ電極１７にはパルス電圧発生器１８よ
り通常は入射粒子に対する反発電界が印加され、検出対
象の元素が到達する時間だけ引き込み用の電界をパルス
的に印加するようにしである。

したがって、検出対象の元素粒子のみがメツシュ電極１
７を通過して蛍光面１１に到達して結像し。

結像した画像より上述のように輝点の数を計数すること
により検出対象の元素粒子の数を計数することができる
。

（発明の効果） 以上要するに、この発明によれば従来不可能であった。

短時間内に発生する比較的少数乃至多数の粒子を、計数
ロスを殆ど抑えてカウント法で１個１個検出でき、しか
も荷電粒子の計数率を、１秒換算で、１０１１〜ｌＯ１
２個にまで高めることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例である荷電粒子の計数方法
を示す図、第２図はこの発明の他の実施例である荷電粒
子の計数方法を示す図、第３〜５図は、従来用いられて
きた荷電粒子の計数方法を示すもので、第３図は電流計
方式による荷電粒子の計数方法、第４図は電流計に電流
増倍機能を付加した方式による荷電粒子の計数方法、第
５図はパルス計数方式による荷電粒子の計数方法である
。 図中、ｌは荷電粒子、２は電流コレクター　３は電流計
、４は電子増倍管、５は高圧電源、６は電荷パルスアン
プ、７はパルス計数システム、８はエキシマレーザ、９
は静電型レンズ、ｌＯはマイクロチャンネルプレート、
　１１は蛍光スクリーン、１２はＣＣＤカメラ、１３は
フレームバッファ、１４はパーティクルカウンター、１
５はパーソナルコンピュータ、１６は飛行時間型質量分
離器、１７は叉ッシよｔ趣、ｔ′７ｔ＋はパルス電圧発
生器である。 第１図 第２図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）短時間に複数個発生した荷電粒子を空間に分布さ
   せ、分布した荷電粒子を画面上に結像させ、結像した画
   像を処理して画面上の粒子数を計数するようにしたこと
   を特徴とする荷電粒子の計数方法。
2. （２）短時間に複数個発生した荷電粒子を空間に分布さ
   せ、更に飛行時間型質量分離器内を通過させて上記荷電
   粒子をその質量差に応じた時間遅れでゲートに到達させ
   、該ゲートでは飛来する荷電粒子のうち検出対象とする
   荷電粒子のみを通過させて画面上に結像させ、結像した
   画像を処理して画面上の粒子数を計数するようにしたこ
   とを特徴とする荷電粒子の計数方法。