JPS5856958B2 - 電子スペクトロメ−タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電子ビームに関係する装置、特に電子ビーム中
の電子エネルギーの高分解能を達成するための装置に関
する。

先ず従来技術について簡単に述べる。

電子スペクトロメータは電子源から放出される電子をそ
の運動エネルギーに関して分析するために用いられる。

スペクトロメータの分解能はＪＥ、即ち検出される電子
のエネルギー拡がり幅、として表現できる。

低エネルギーの電子での使用に適するスペクトロメータ
の１つの型は飛行時間の原理を利用する装置である。

電子の速度はそれがドリフト管を走行するのに要する時
間を決定することにより測定される。

分析されるべきエネルギー分布は、検出器に到達する時
間分布に変換される。

これらの装置の分解能ＪＥは約１０ｍＶである。

第２型のスペクトロメータは、電磁装置であり、これは
電界又は磁界又はその両者で電子をそれらの運動エネル
ギーに従って分散させる原理を利用する装置である。

これらは帯域中心を連続的に変え得る成るエネルギー帯
域を通過させる可変帯域電子フィルタである。

電磁装置の典型的例は静電的の球形と円筒形の分析器、
円筒形鏡分析器、同心的球形グリッド分析器、及びウィ
ーン分析器である。

１つのこの種スペクトロメータは米国特許第３７３３４
８３号に記載される。

一般に電磁装置の分解能ＪＥは１０〜２０ｍＶの程度で
ある。

第３型のスペクトロメータは電子トラップ型の装置であ
る。

これらの装置では成る可変エネルギー以下の電子はすべ
て静電位の井戸中にトラップされ、これを集合して検出
される。

電子トラップ装置の分解能ＡＥは通常０．０５と０．４
■の間であり、一般に電磁装置より下位である。

しかし、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ
Ｂ、■、７．１１８０（１９７４）に記載されるＣｖｅ
ｊａｎｏｖｉｃ とＲｅａｄ の電子トラップ装置は
例外である。

何故ならそれは１０ｍＶの分解能ＪＥを持つからである
。

更に他の型のスペクトロメータはＳＦ６及びＣ２Ｈ５Ｎ
Ｏ３のような材料を使用して負イオンを形成し、これが
後に検出される。

これらのイオン型スペクトロメータはゼロに近いエネル
ギーを持つ電子に限られ、電子トラップ装置より更に低
い分解能ＡＥを有する。

電子スペクトロメータの開発上の主たる目的の１つは有
用な出力での分解能ＡＥの改良にある。

高い分解能は、定性的に新しい科学情報が得られること
を可能にし、物質の構造判別のように同じ種類で化学的
結合状態が異なる原子間を区別するためのＸ線光電子分
光学のような応用分野に大いに実用的重要性を増してい
る。

従来分解能を改良する努力は主として既存分光計器の個
々の部分又は作用又はその両者の分解能の有効性を増加
することによりなされて来た。

本発明の主たる目的は、電子ビーム中の電子エネルギー
の高分解能を得るための装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、改良されたスペクトロメータを提
供することにある。

これらの及びその他の目的は、特定の電子エネルギー値
で狭い散乱共振を呈する気体を収容する共振室を有する
装置により達成される。

この気体の狭い散乱共振はその共振エネルギー値で電子
エネルギースペクトル又は分布をフィルタする。

本発明は電子ビーム中の電子エネルギーの高分解能を得
るための方法として利用でき、又は電子スペクトロメー
タとして使用できる。

１つの好ましい実施例は電子加速器、電磁フィルタ、ヘ
リウムを収容する共振室、及び電子捕捉検出器を有する
スペクトロメータである。

ビーム中の電子は加速され、このビームは略２０．６１
４ｅＶに中心を持つ電磁フィルタの中を通される。

このフィルタされたビームは共振室内へ通り、ここでそ
の電子はヘリウム原子と非弾性的衝突をしてＨｅ２’Ｓ
励振状態を生ずる。

Ｈｅ２１Ｓ散乱共振はその２０．６１４ｅＶエネルギー
しきいでＯ，０Ｏ１ｅＶより小さい狭い幅を有し、フィ
ルタとして役立つ。

この共振構造の初期立上りの急峻さの故にこのスペクト
ロメータの分解度は約０．０ＯＯ１ｅＶである。

そこで電子捕捉装置は非弾性的散乱電子の束を検出する
。

次に本発明の実施例について述べる。

電子ビーム中の電子エネルギーの高分解能は材料の性質
、即ち成る種の気体の狭い共振を利用することにより得
られる。

特定の電子エネルギー値における気体の狭い散乱共振は
そのエネルギー値における電子エネルギースペクトルを
フィルタするために用いられる。

第１図に示すよつに、本発明は非弾性散乱共振を利用す
るスペクトルメータ１０に用いることができる。

電子紙１２は電子１４を放出し、これは加速又は減速装
置１６内へ通される。

電子源１２は種々の異なる型のものであってよい。

例えば、電子源１２は電磁放射又は粒子放射、即ち紫外
線、Ｘ線、電子ビーム又はイオンビームに露出された材
料であってよい。

電子源１２は又高温に加熱されたプリズマ又は材料（即
ち陰極）であってもよい。

電子源１２は又β崩壊のような原子核反応により形成さ
れてもよい。

種々の電子源１２のエネルギースペクトルは無限数のエ
ネルギースペクトル形を有する。

特殊エネルギー源１２のエネルギースペクトルの１つの
特に限定する意味でない、例は第３ａ図に示され、成る
エネルギー値Ｖ。

に中心がある。第３ａ図に示すエネルギースペクトルは
唯今現存のエネルギー分解手段によっては達成し得ない
無限の分解度を有することが理解される。

加速又は減速装置１６は典型的には斯界に周知の可変静
電位を利用する。

加速又は減速装置１６は本発明の実施に釦いて、それが
スペクトロメータ１０中の他の組成分と適合する限り任
意のものを用いてよい。

加速装置１６はエネルギースペクトルを第３ａ図に示す
ような位置■。

から異なる位置例えば第３ｂ図に示すような位置■１
、■２゜ｖ３ 、ｖ４ 、■５へ変え又は動かすために
用いられる。

電子ビーム１４Ａは装置１６から電磁装置又はフィルタ
１８内へ通る。

電磁装置１８は前に述べたスペクトロメータの第２型の
ものであり、これは電子をその運動エネルギーによる電
界又は磁界又はその両者をもって拡散する。

電磁装置１８はエネルギースペクトルを第３ｃ図に示す
ようによく規定された態様でフィルタし、同図に３いて
装置１８はその伝送の中心がＶｒボルトにあって、下限
Ｖｌから上限■。

までの電子エネルギーを伝送する。

第３ｃ図に示すような伝送曲線は典型的なものであり、
斯界に周知である。

第３ｄ図は第３ｂ図に示すエネルギー尺度の各点Ｌ２，
３，４，５に釦けるエネルギー分布がフィルタ１８の出
口においてずれた状態を示す。

点１〜５は第３ｂ図に表示された各エネルギースペクト
ル毎のフィルタ１８を通ずる全電子流を表わす。

第３ｄ図に示す■１ 、Ｖ２ 、■３ 、■４ 。■５
におけるエネルギースペクトルは第３ｂ図のエネルギー
スペクトルが装置１８によりフィルタされたときの状態
を絵図式に示す。

しかしながらこれらのエネルギースペクトルは装置１８
を通る全電流を測定するときにはフィルタ１８の比較的
貧弱な分解能の故に得られない。

僅かに点１′、２′。３／、４１，５／が得られるだけ
である。

点１′〜５′を通る点線は電圧の連続的変化に該当する
。

本発明によれば、このフィルタされた電子ビーム１４Ｂ
は第１図に示す共振室２０内へ通される。

共振室２０は特定の電子エネルギー値において狭い散乱
共振を呈する気体を収容する。

ヘリウムは本発明の好ましい実施例において用いられる
気体である。

ヘリウムは次の反応を受ける。Ｈｅ （１” Ｓ ）
＋ｅ （Ｖ＝２０．６１４＋６Ｖ ）→Ｈｅ （２’
Ｓ ） ＋ｅ （Ｖ＝△Ｖ）このＨｅ（２１Ｓ）共振し
きいは２０．６１４ボルトの電圧にある。

Ｈｅ（２１Ｓ）共振散乱確率曲線は第３ｅ図に示される
。

第３ｅ図から分るように、この共振散乱プロセスはこの
検出器の応答曲線が示す非常に小さい範囲的０．０Ｏ１
１ｅ■に対してだけ高い確率Ｐ（Ｖ）を有し、この第３
ｅ図の場合、原エネルギー分布は周知の反転処理により
得ることができる。

この反転の分解能は検出器応答曲線の最も急峻な特性に
より決定される。

Ｐ（Ｖ）のＯからその約０．０００１ｅＶの最大幅にま
で増大する急峻度は高い分解度即ち約０．０ＯＯ１ｅＶ
を有するスペクトロメータに応答し得るものである。

電磁フィルタ１８の目的は共振検出装置２０中の検出の
ために■１における共振だけを取出すためである。

かくしてこの好ましい実施例において、Ｈｅ２１Ｓ共振
を用いるとき、非弾性的に散乱する電子は０と■。

−■１間のエネルギー値■を有するであろう。

若し装置２０が電子捕捉フィルタであるならば、その井
戸の深さはそれに応じてＯとＶｕ−Ｖ、、間のエネルギ
ー値だけを検出するように調節されるであろう。

若し装置２０が準安定原子検出器であるならば、Ｈｅ２
’Ｓ原子だけが検出されるであろう、何故ならこの共振
だけがフィルタ１８の通過帯域内に、即ちエネルギー値
■ｌと■、の間にあるからである。

ビーム１４Ｂ中の電子は共振室２０に入り、ヘリウム原
子と非弾性的衝突をしてエネルギーの移送を起す。

最低エネルギー状態にあったヘリウム原子は電子ビーム
からエネルギーを吸収して励振状態、例えばＨｅ（２’
Ｓ）状態のままに残される。

散乱した電子は相応する量のエネルギーを失う。

散乱率は電子エネルギーの作用として急速に変化する。

非常に狭いエネルギー幅の顕著な構造が、ターゲット原
子又は分子例えばヘリウムへの過渡的電子附着の結果と
して、散乱率に起る。

このような衝撃エネルギーの作用としての散乱率の構造
は共振として知られ、この語は仮想状態として普通知ら
れている特殊の構造を含むであろう。

Ｈｅ２１Ｓ共振状態はその１例である。

この応用に使用できる気体と対応共振状態の他の１例は
ヘリウムと１９．８１８電子ボルトのエネルギーしきい
におけるＨｅ２３Ｓ状態である。

ヘリウム以外の気体も本発明の実施に使用してよい。

原子及び２原子の分子による電子散乱における共振の一
般的研究は、Ｒｅ ｖ ｉ ｅｗ ｏ ｆ Ｍｏｄｅｒ
ｎＰｈｙｓｉｃｓｔＶｏｌ−４５ｔｐｐ３７８〜４２２
及びｐｐ４２３〜４８６ （１９７３）に報告されてい
る。

これらの論文に引用された各側が本明細書でも例として
利用できる。

非弾性散乱は励振された原子又は分子の生成の割合を測
定することにより又は非弾性衝突により減速した低エネ
ルギー電子を検出することにより検出できる。

Ｈｅ２”Ｓ状態はそれの放射線による崩壊の割合が非常
に小さいという意味において準安定である。

その結果、励振エネルギーは主として他の原子又は分子
との又は容器の壁との衝突により失われる。

Ｈｅ２１Ｓのような準安定原子は既知の技術により容易
に検出できる。

第１図にかいて、スペクトロメータ１０は電子捕捉装置
又は準安定原子検出器を用いることにより共振の発生を
検出することができる。

電子捕捉装置の場合、このような装置が共振室を具備す
ることは通常のプラクチスである。

その結果、第１図に卦いて装置２０は共振室を具備する
電子捕捉装置と考えることができるであろう。

前述のように、エネルギースペシイによる金属表面から
の電子の放出に基く周知の装置である準安定原子検出器
を共振室２０と組合せて用いてもよい。

若しこの準安定原子検出器を用いるとすれば、Ｈｅ２’
Ｓ原子のような電気的に中性の準安定原子は入射する
散乱電子から、関連する静電位を持つグリッド電極の適
当な配置により、分離される。

第３ｆ図において、共振室２０と関連する電子捕捉装置
に集成された低エネルギー電子の電流Ｊがプロットされ
る。

点１“、２“、３“、４“、５“は第３ｂ図に示すエネ
ルギー尺度Ｌ２，３，４，５上の五個の点に３いて電磁
的フィルタ作用により得られた点１’、２’、３’、４
’、５’に対応する。

第３ｆ図の点線は■の連続的変化に該当し、これは第３
ｄ図の点線に示すような電磁フィルタだけにより行われ
るフィルタ作用と比較するとき全体の装置のフィルタ作
用の有効性を明かに区別する。

高度の分解能即ち０．０００１ボルトは第３ｃ図に示す
電磁フィルタによるフィルタ作用との組合せにより達成
される。

第１図には示してないが、電子源１２から放出される電
子の規準によっては、電子源１２と装置１６との間、装
置１６とフィルタ１８との間、及びフィルタ１８と室２
０との間の各転移区域の１部又は全部に静電的又は電磁
的集束装置を設けることが必要であろうことが理解され
る。

これらの集束装置、装置１６及びフィルタ１８はそれら
の電位が伝送される電子のエネルギー分布を０．０００
１ｅＶ以上ぼけさせないように設計されねばならない。

第１図に示すスペクトロメータは、加速装置１６をフィ
ルタ１８と共振室２０との間に置くように変更できる。

この型の配置をもってすれば、フィルタ１８の通過帯域
の中心は、これをＶｐとすれば、Ｈｅ２１Ｓ共振を用い
るときｖＰ＝ｖ。

（２０，６１４ｅＶ）に設定されたが、唯今は加速電位
■３と一緒に、共振状態ｖＰ＋ｖ、＝ｖ、が常に満たさ
れるように連続的に変化される。

同じ型の検出器は前述の共振室２０と関連させてもよい
。

他の実施例は第２図に示すように、非弾性散乱共振の代
りに狭いエネルギー幅の弾性散乱共振を使用するもので
ある。

弾性散乱は電子と原子間のエネルギーの転移を伴わない
で起る。

第２図において、スペクトロメータ３０は電子源３２を
有し、これは電子ビーム３４を放出する。

電子３４は加速又は減速装置３６内へ通る。

電子ビーム３４Ａは装置３６を出て電磁フィルタ３８内
へ通る。

電子３４Ｂはフィルタ３８を出て共振室４０内へ通る。

共振室４０は狭いエネルギー幅の弾性散乱共振を有する
大気以下の圧力の気体を収容する。

共振室４０内の検出手段の限定する意味でない１例は円
筒形グリッド４２と円筒形集取電極４４を具備する。

この集成電極は散乱室４０の壁とグリッド４２に対して
電位■、にある。

計器４６は電極４４に到達する弾性的散乱電子の電流Ｊ
を測定する。

この装置に釦ける非弾性的散乱電子は電極４４に到達す
るに十分なエネルギーを有しない。

この装置は、弾性散乱共振は起るが弾性散乱による入射
方向からは偏している■１に近い入射エネルギーを保有
する電子だけを検出する。

本発明に関連するものとして狭帯域消去電子エネルギー
フィルタが考えられる。

この型の装置にかいて、共振室は低圧でのヘリウムのよ
うな気体又はその他の狭い散乱共振を呈する気体で満た
され、フィルタせらるべき電子ビームの中に直接置かれ
る。

この室から入射ビームの前方方向に発生する電子分布は
共振エネルギー■１付近でその共振の幅に関係する帯域
幅を有するエネルギーの電子が欠乏しているであろう。

例えば、ビームはそれをヘリウムを収容する室の中を通
すことによりエネルギー２０．６１４ボルトの電子から
解放できる。

この電子は約０．０Ｏ１ｅＶの帯域幅でフィルタされる
であろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は非弾性散乱共振を用いる高分解能スペクトロメ
ータの概要図である。 第２図は弾性散乱共振を用いる高分解能スペクトロメー
タである。 第３ａ図は電圧■。 に中心を持つ電子源のエネルギー分布の１例である。 第３ｂ図は第３ａ図に釦けると同じ電子源のエネルギー
分布が電圧ｖ１ 。 ■２ 、ｖ３ 、■４ 、■、ヘシフトされたときのエ
ネルギー分布である。 第３ｃ図しまＶｒ（Ｖ、 ＝２０．６１４ｅＶ）に中心
を持つ電磁フィルタの伝送を示すプロット図である。 第３ｄ図は第３ｃ図によるフィルタ作用後のＶｌ ’？
Ｖ２ ９Ｖ３ ９Ｖ４ 、■５におけるシフトされた
エネルギー分布を示す。 第３ｅ図はＶ、＝２０．６１４ボルトでのＨｅ２’ Ｓ
共振の非弾性散乱確率特性である。 第３ｆ図は第３ｃ図と第３ｅ図によるフィルタ作用の後
電子捕捉装置に集版された低エネルギー電子の電流Ｊを
示す。 １０ 、３０・・・スペクトロメータ、１２．３２・・
・電子源、１４．１４Ａ、１４Ｂ、３４，３４Ａ。 ３４Ｂ・・・電子ビーム、１６．３６・・・加速又は減
速装置、１Ｂ、３Ｂ・・・電磁フィルタ、２０．４０−
・・共振室、４２・・・円筒形グリッド、４４・・・円
筒形集版電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 特定のエネルギ値で急峻に散乱共振する検出ガスを
   具備する共振室と、試料から放出された電子の運動エネ
   ルギを上記散乱共振の起こるエネルギ値を含む範囲のも
   のとしたのち上記電子を上記共振室に送るエネルギ可変
   手段と、上記共振室での散乱共振により生じた粒子を検
   出する検出手段とを有し、上記試料から放出された電子
   の運動エネルギを上記散乱共振の尖鋭度に対応した解像
   度で解析しうるようにした電子スペクトロメータ。