JPH03504653A - コヒーレントクラスタ形成のための方法及び装置 - 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】 コヒーレントクラスタ形成のための方法及び装置主里生豆員 （ｉ）発明の分野 本発明は、コヒーレントクラスタ形成のための方法及び装置に関する。

（ｉｉ　）従来の技術 低温状態の下では、気体は液体に凝縮され、更に固体になるよう凍結される。ノ ズルから発射される分子又は原子ビームでは、温度が急激に低下する。原子又は 分子は、クラスタ（群）を形成するように互いにくっつく。原子又は分子の数Ｎ が１００よりも大きい時には、それらの原子又は分子のクラスタは、超微粒子と 呼ばれる。これらの粒子は、極微と巨視の世界の境界に位置しており、盛んに研 究されている。これらの研究は、Ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ 　ｏｆ　Ｓｍａｌｌ　Ｃ１ｕｓｔｅｒｓ（ＮＡＴＯＡＳＩ　５ｅｒｉｅｓ　Ｂ　 ：　Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｖｏｌ、１５Ｂ）　、著者がＰ、Ｊｅｎａ。

Ｂ、に、Ｒａｏ　、及びＳ、Ｎ、ＫｈａｎａであるＰｌｅｎｕｌｌ、（Ｎ、Ｙ、 １９８７）　、著者がＳ、Ｓｕｇａｎｏ＊　Ｓ、０ｋｉｎｉｓｈｉであるＭｉｃ ｒｏｃｌｕｓｔｅｒｓ　（Ｓｐｒｉｎｇ−Ｖｅｒｌａｇ。

Ｔｏｋｙｏ　１９８７）、５ｕｒｆａｃｅ　５ｃｉｅｎｃｅ　１５６のＰａｒｔ 　１及びＰａｒｔ　２（１９８５）。

５ｕｒｆａｃｅ　５ｃｉｅｎｃｅ　１０６　（１９８１Ｌ　Ｊ、Ｐｈｙｓ、（Ｐ ａｒｉｓ）　Ｃ−２（１９７７）、及びＣｈｏｂｉｒｙｓｈｉ−Ｓｃｉｅｎｃｅ 　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　（Ｋａｇａｋｕｓｏｓｅｔｓｕ）（Ｃｈ ｅｍｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ）Ｖｏｌ、４Ｂ、Ｃｈｅａ＋１ｃａｌ　５ｏｃｉｅ ｔｙ　ｏｆ　Ｊａｐａｎ　Ｔｏｋｙ。

（１９８５）に述べられている。

日の　　な−１Ｂ 本発明の第１の態様では、クラスタを発生させ、少なくともそのクラスタのうち のいくつかはコヒーレントになるようにする、コヒーレントクラスタを形成する ための方法が提供される。

「クラスタ（群）」という言葉の意味は、複数の原子又は分子が一緒になった集 合である。典型的なりラスタは、数十個から数百個、更には数十個の原子又は分 子で構成されている。

更に本発明は、クラスタを発生させる手段及び少なくともそのクラスタのうちの いくつかはコヒーレントであるようにするためのコヒーレンス誘導手段を備えた コヒーレントクラスタ形成のための装置も提供する。

本発明の方法及び装置により、クラスタビームを適当に制御することで、コヒー レントクラスタビームとして形成することができる。この説明における「コヒー レントクラスタ」という言葉は、このクラスタの中の少なくともいくつかの原子 又は分子がコヒーレントであることを意味する。すなわち原子又は分子は、同一 の量子状態にあり、同一の波動関数により表現される。よってこの意味でのコヒ ーレントクラスタビームは、クラスタのうちのすくなくともい（つかがコヒーレ ントであるものである。しかしながらこのことは、前記の量子状態が各クラスタ に対して同一であるという意味であり、各クラスタがそれぞれのクラスタ内でコ ヒーレントであるということではない。一般的に原子又は分子はボソンである（ それぞれ整数のスピンを有している。）。

本発明の一つの態様では、ビームは誘導散乱のメカニズムによりコヒーレントに される。誘導散乱により、異なるコヒーレントクラスタ内の原子も同一のエネル ギモーメントを有するような同一の量子状態になるという意味で、クラスタはそ の内部においてもコヒーレントになる。

コヒーレントクラスタは、高圧力ガスのノズルを通過することにより、ノズルの 出口のより出て、圧力の低い領域内に形成される。コヒーレントクラスタは、中 性、正帯電、又は負帯電のいずれの状態のものもある。正帯電されたクラスタは 、形成されたビーム内の電子ビーム又は他の帯電粒子の衝突により形成すること ができる。負帯電クラスタは、電子の回りの自由膨張段階中の核形成過程により 形成される。これらの電子は、レーザからの光によって起される光電効果によっ て発生させることができる。

辺　ｏ　　　ａ−’哩 本発明は、付属の図面を例として参照することにより更に説明される。

第１図は、本発明に基づくコヒーレントなヘリウムクラスタビームを形成するた めの装置の図であり、第２図は、本発明に基づく負帯電クラスタビームを形成す るための装置の図である。

詳１じＯ１吸 まず第１にこれから説明する二つの典型的な装置のうちの第１の装置においては 、一般に初期のヘリウムガスは、例えば４″にの温度で一気圧の高い圧力に保持 されている。次にこの気体は、ノズルを通して真空中に拡散される。このヘリウ ムガスの拡散により、ガスの温度は即座に２”ｌ＜以下に低下させられる。ヘリ ウム原子は、凝縮してクラスタを形成する。

クラスタのうちのいくつかは、一度臨界温度２．１％以下に温度が低下すると、 コヒーレントなヘリウム原子を構成する。

これにより噴出流状のコヒーレントな中性クラスタビームができる。

通常の場合、温度が一度臨界温度以下に低下すると、液体ヘリウムは超流動体成 分を有するようになる。今回の場合もこれに類似している。違いは、コヒーレン トクラスタがビームを形成し、種々の目標物に向けることができるという点であ る。

ヘリウム原子の異なるクラスタも、種々のクラスタ中の誘導された散乱のため、 同様のコヒーレント状態になるということもかなり起きており、これは国際出願 ＰＣＴ／ＡＵ８６１００２１２号の明細書中に説明されたメカニズムに類領した 形で起きている。

散乱工程は以下の通りである。

Ｈｅ（ｐ）＋Ｈｅ＊（ｐ’　）＋ＨｅＩＩ（ｐ）−Ｈｅ（ｋ’　）＋Ｈｅｍ（ｐ ’　）十Ｈｅ、（ｐ’　）−個のヘリウム原子は、それぞれ運動量ｐであるｎ個 のヘリウム原子で形成されている一個のＨｅｍクラスタで散乱される。保存の法 則を満足するため、Ｈｅ、　（ｐ）は散乱されて、近くのヘリウムクラスタＨｅ ｍ　（ｐ’　）として同一の最終運動量ｐ′を有するＨｅ（ｐ’　）になる可能 が最も高い。ヘリウムクラスタＨｅａ（ｐ’　）は、それぞれの原子が運動量状 態ｐ′を有している。これらのコヒーレントクラスタの残りの構成においては、 コヒーレントクラスタはビーム空間全体にわたって形成された液滴内の超流動液 体としてふるまう。すなわち、Ｈｅｙ＋’　（ｐ’　）＋Ｈｅ＊ｚ（ｐ’　）＋ ＝−ＨｅｎｒＣｐ’　）これらのコヒーレントクラスタは、二種の方法で測定で きる。

（Ａ）これらのコヒーレントクラスタ内のエネルギの広がりΔＥｃは、ビームの 温度よりもはるかに小さい、すなわちΔＥ（Ｔである。

中性クラスタビームのエネルギの広がりは、電子ビームでビームをイオン化する ことにより測定できる。そして帯電されたクラスタは加速され、飛翔時間方法に より速度が検出される。

（Ｂ）レーザでの散乱、ＰＣＴ出願ｐｃｒ／Ａｕ８６１００２１２号に言及され ているように、ヘリウムとフォトンの二つのコヒーレントビーム内の誘導散乱断 面は、 ｎＨｅ（ｐ’　　＞＋ｍｒ　（ｋ）−ｎＨｅ（ｐ’　）＋ｔａｒ　（ｋ’　　） であり、個々のヘリウム原子とフォトン内のものよりｎ！ｍ！の係数分、すなわ ちはるかに大きい。それゆえコヒーレントクラスタビーム上にレーザ光を照射す ることにより、コヒーリ、はるかに強い散乱フォトン信号を検出することが可能 である。

水素クラスタイオンは、弱イオン化された純水素ガスの自由噴出拡散により形成 される。この動作は、ＲｏＪ、Ｂｅｕｈｌｅｒとり、Ｆｒ１ｅｄａ＋ａｎにより 著わされた文献ｒｃｌｕｓｔｅｒ　Ｉｏｎ　Ｆｏｒｗａｔｉｏｎｉｎ　Ｆｒｅｅ 　Ｊｅｔ　Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ　Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ　ａｔ　Ｌｏｗ　Ｔｅａ＋ ｐｅｒａｔｕｒｅ」、Ｂｅｒ、Ｂｕｎｓｅｎｇｅｓ　Ｐｈｙｓ、Ｃｈｅｍ、８８ ．２６５−２７０（１９８４）、　Ｊ、Ｃｈｅｔａ、Ｐｈｙｓ。

７７．２５４９（１９８２）　、及びＪ、Ｃｈｅｍ、Ｐｈｙｓ、７８．４６６９ （１９８３）に説明されている。Ｈｅと供給源ブロックの温度が１７′にで初期 圧力Ｐｏ−１８ｃ＋＋＋において、水素クラスタイオンは、１０，０００の単位 のｍ／ｅ値を有する狭い質量分布で形成される。

種イオンを与えることで核形成が補助され、その場合にはより大きな形状のクラ スタが形成される。

イオンを発生させるため、マイクロ波放射がイオン発生のため使用されても良い 、アーク放電を使用することも可能である。これら両方の方法とも、液体ヘリウ ム温度環境に対して、許容できない熱源ができたことになる。しかしながら電子 ビームの衝撃によりノズルのすぐ外側にイオンを形成することができる。ノズル のすぐ外側に生成されたイオンは、自由噴出拡散の間中性分子と一緒に冷却され る。

コヒーレントイオンクラスタビームは、より高いエネルギまで加速可能であるた め、コヒーレント中性クラスタより望ましい、それゆえコヒーレントイオンクラ スタビームは、他のコヒーレント中性ビームよりはるかに利点がある。可視光レ ーザ放射は四半世紀以上前に可能になったが、Ｘ！！領域でのレーザ放射を行な わせることは非常に難しい。コヒーレントイオンクラスタビームに対して、粒子 当りのエネルギを増加させることは難しくない。これは直線加速器内で他の帯電 ビームと同様に加速できるためである。

ヘリウムのコヒーレントクラスタビームを発生させるための装置は、第１図にそ の詳細が示されている。低温槽１０が、液体ヘリウム１５を貯蔵するために使用 される。液体ヘリウムガスは、チューブ１２を通じて室１４内に蒸発し、その室 内でヘリウムガスはほぼ大気圧の圧力で液体ヘリウム温度４″にの温度に保たれ る。ノズル１６は、低温槽の窓に位置しており、ヘリウムガスはノズル１６を通 じて真空室２５の外側に自由拡散する。電子ビーム源２９は、液体ヘリウムイオ ンがノズル１６から出る際に、液体ヘリウムイオンに衝撃を与えるように電子の ビーム３１を向けるように働く、ノズルからある距離にある一組のスキーマ２０ は、ビームの方向を決定すると同時に、ノズルから放出されるクラスタビーム２ ７を平行にするように働く。

ソレノイド２２は、ビームの外側に軸方向にビームを囲むように位置しており、 イオンクラスタビームを制限している。いずれにしても、ビーム２７は、室２５ 内へ開口を通って入る。

制限するという考え方は、中性の粒子が拡散して冷えることができるように、イ オンクラスタの密度を維持することである。中性原子及びイオンクラスタ内の衝 突は、イオンクラスタを冷却する。イオンクラスタは拡散後に、より温度低下す ることはないが、中性原子との衝突により冷却される。

別の装置では、負帯電したコヒーレントクラスタビームを発生することができる 。この装置は、第２図に概略が示されている。この装置の部分は、第１図に示し た装置と同様であり、参照番号は第１図と第２図で同じ要素を示している。液体 ヘリウム温度の４＠Ｋに近い温度で一大気圧の圧力であるＨｅガス源（図示せず 、）も同様にある。ガスはノズル１６を通り、ノズルの外側の真空室（図示せず 。）に自由拡散する。

違いは、この場合はノズルが金属でできており、電子源としても働くように配置 されていることである。そしてレーザ２８が備えられ、周波数Ｗでレーザ光ビー ム３２を発生し、その光はミラ３３を経由して、ノズルの外側表面に向けられて いる。

電子は、エネルギＥｅで光電効果により放出される。Ｅｅは次の通りである。

Ｅｅ＝ｍ切−φ 但しφは金属の仕事関数である。レーザからの光には、非常に限定された周波数 Ｗを有し、電子エネルギの広がりも小さいという利点がある。電圧Ｖｅが、電源 ３５からノズル１６とスキーマ２０の第１のスキーマ２０ａの間に供給される。

そして電子は、スキーマ２０ａとノズル１６の間のこの電圧により加速又は減速 が可能である。この場合前述の電子ビーム源２９は、備えられていない。

帯電した電子は、ノズルから放出されたヘリウムガスのクラスタ形成のための核 形成の中心として働く。それゆえ負帯電したクラスタが生成される。拡散の冷却 効果は、ヘリウムガスクラスタがボースアインシュタイン凝縮効果から同一のコ ヒーレント状態にある留分原子を含むことを保証する。留分はビームがどの程度 低温であるかに依存する。ビームが低温である程、コヒーレント粒子の留分は高 くなる。

負帯電コヒーレントビームは、電源４１より発生される付加抽出電圧ｖ２により 、より高いエネルギに更に加速できる。

ノズルのすぐ外側では、電子はより低速であること、すなわちＶｅの値がより小 さいことが望ましい、これは、電子の周囲でクラスタを形成するのにより長い時 間がかかるようにするためである。第２図において、抽出電圧■２は外側へ進む ビームの経路にある二個の開口電極３０　、３２の間に加えられる。

もしより高いエネルギのコヒーレントビームの形成が必要ならば、抽出電圧ｖ２ はｖｅとは異なる（すなわちより高い。）桁の電圧でも良い。

第１図の装置の場合のように、放出クラスタビームは、ノズルのすぐ外側では、 ソレノイド２２で囲まれており、これにより帯電粒子は磁界により制限され、密 度が小さくならないようにしている。

手続補正書（方式） ％式％ １、事件の表示 コヒーレントクラスタ形成のための方法及び装置３、補正をする者 事件との関係　　　特許出願人 名称　　アプリコツト　ソシエテ　アノニム４、代理人 住所　〒１０５東京都港区虎ノ門−丁目８番１０号６、補正の対象 （１）特許法第１８４条の５第１項の規定による書面の「特許出願人の代表者」 の欄 （２）明細書及び請求の範囲の翻訳文 （３）委任状 ７、補正の内容 （ＩＯ２）別紙の通り （２）明細書、請求の範囲の翻訳文の浄書（内容に変更なし） ８、添付書類の目録 （１）訂正した特許法第１８４条の５第１項の規定による書面　　　　　　　　 　　１　通（２）明細書及び請求の範囲の翻訳文　各　１　通（３）委任状及び その翻訳文　　　　　各　１　通国際調査報告

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. １．クラスタの発生工程、及び該クラスタのうちすくなくともいくつかはコヒー レントになるようにする工程を備えたコヒーレントクラスタ形成のための方法。
2. ２．該クラスタは、更に別の粒子による誘導散乱の工程によりコヒーレントにさ せる請求項の１に記載の方法。
3. ３．該別の粒子は、クラスタのビームに向けられた電子である請求項の２に記載 の方法。
4. ４．該別の粒子は、クラスタのビームに向けられたコヒーレントフォトンである 請求項の１に記載の方法。
5. ５．該クラスタは、ノズルを通しての真空室へのヘリウムガスの拡散により発生 されるヘリウムイオンである請求項の２から４のいずれかに記載の方法。
6. ６．該クラスタは、ノズルを通しての真空室へのヘリウムガスの拡散により発生 されるヘリウムイオンであり、該コヒーレントクラスタは少なくとも一つ以上の 加速電圧により、該真空室からビームの形で方向付けされる請求項の２から４の いずれかに記載の方法。
7. ７．該クラスタは、ノズルを通じての真空室へのヘリウムガスの拡散により発生 されるヘリウムイオンであり、該コヒーレントクラスタは少なくとも一つ以上の 加速電圧により、該真空室からビームの形で方向付けされ、ビームを平行にする ための平行手段が備えられている請求項の２から４のいずれかに記載の方法。
8. ８．該クラスタは、該クラスタ自体の中でコヒーレントになる請求項の１から３ のいずれかに記載の方法。
9. ９．クラスタを形成するための手段、及び該クラスタのうちのすくなくともいく つかをコヒーレントにするためのコヒーレンス誘導手段を備えた、コヒーレント クラスタ形成のための装置。
10. １０．該コヒーレンス誘導手段は、該クラスタを誘導散乱の工程によりコヒーレ ントにするように、該クラスタと相互作用するための別の粒子を発生させるため の手段を備える、請求項の９に記載の装置。
11. １１．該コヒーレンス誘導手段は、誘導散乱の工程により該クラスタをコヒーレ ントにするように、該クラスタに向けられたコヒーレント光のビーム源を備える 、請求項の９に記載の方法。
12. １２．該クラスタを形成するための手段は、ノズル手段、及び該ノズルを通して ヘリウムガスが内部に向けられるよう配置された真空室手段を備える、請求項の ９から１１のいずれかに記載の装置。
13. １３．該クラスタを形成するための手段は、ノズル手段、及び該ノズルを通して ヘリウムガスが内部に向けられるよう配置された真空室手段を備え、該装置は該 クラスタをビームになるよう平行にするための平行手段を備えている請求項の９ から１１のいずれかに記載の装置。