JPS5917501B2 - 中性粒子検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電気的に中性な粒子、例えば中性水素粒子の質
量分析とエネルギー分析と原子数検出とを行なう中性粒
子検出装置に関する。

第１図は従来の中性粒子検出装置の構成を概略的に示し
た図である。

１は荷電交換部であり、真空容器２と、この真空容器２
の内部に設けられたイオン化装置としてのストリッピン
グセル３と、このストリッピングセル３に窒素ガス又は
水素ガスなどを供給するガス供給器４と、上記真空容器
２の壁に設けられたガス排気口５Ａ、５Ｂからガスを排
気して上記ストリッピングセル３の周囲を高真空状態に
保つ排気手段としての真空ポンプ６として構成されてい
る。

７は運動量分析器であり、入射された荷電粒子の軌道に
直交するように磁界をかけるマグネットで形成されてい
る。

８Ａ〜８Ｅは複数のエネルギー分析器であり、それぞれ
円弧状に配列された１対の電極板１４ｓ、１４ｔと、こ
れら１対の電極板に電圧を印加する図示しない印加電源
とで構成されており、上記電極板の曲率は各分析器ごと
に異ならせである。

９八〜９Ｅは上記エネルギー分析器８Ａ〜８Ｅに対応し
て設けられたイオン検出器であり、入射した荷電粒子の
数に応じたパルス信号を出力するようになっている。

上記構成の従来の中性粒子検出装置による中性粒子の測
定は以下のように行なわれる。

荷電交換部１に中性粒子ビーム１１が入射すると、スト
リッピングセル３によって個々の粒子の運動量と運動エ
ネルギーは一定のまま軌道電子のみがはぎとられて正の
荷電粒子ビーム１２に変換される。

この荷電粒子ビーム１２は運動量分析器７によって個々
の粒子の運動量に比例した半径で偏向されそれぞれ異な
った軌道Ａ−Ｅを描き空間的な拡がりをもつ出射粒子ビ
ーム１３Ａ〜１３Ｅに変換される。

出射粒子ビーム１３Ａ〜１３Ｅのうち軌道Ａを通るビー
ム１３Ａを例にとると、このビーム１３Ａは出射粒子の
質量により異なったエネルギー成分を有している。

例えば出射粒子が水素（Ｈ）、重水素（Ｄ入玉重水素（
Ｔ）である場合には運動量が一定であるため、それぞれ
のエネルギーの割合は重水素が水素の１／２、三重水素
が水素の１／３である。

これらの異なったエネルギー成分をもつ粒子ビームのう
ぢ特定のエネルギーの粒子のみを分析するためには、エ
ネルギー分析器に印加する電圧を選択する必要がある。

エネルギー分析器８Ａを例にとれば、分析器８Ａの電極
１４Ｓの曲率半径をｒｌ、 １４ ｔの半径をｒ。

ｕｔとし、各電極１４Ｓ、１４ｔに印加する電圧をそれ
ぞれ−Ｖ 、 ＋Ｖとしたときエネルギー分析器を選択
的に通過できる粒子のエネルギーＥば で表わされる。

ここでｑは入射荷電粒子の電荷素置である。

この式（１）から明らかなように、固定された形状のエ
ネルギー分析器に対しては、分析されるエネルギーは分
析器に印加する電圧に比例する。

そこで水素、重水素及び三重水素のエネルギー分析を例
にとれば、第２図に示すように三重水素を通過させる電
圧１５、重水素を通過させる電圧１６、水素を通過させ
る電圧１７をステップ状に印加することにより、それぞ
れの質量ごとの粒子の分析が可能となる。

荷電粒子の質量ごとのエネルギー分布の測定は、運動量
分布マグネットを出射した運動量の異なる出射ビームに
対して複数のエネルギー分析器８Ａ、８Ｂ・・・を設け
、それぞれに第２図に示すように質量の異なる粒子のエ
ネルギーに対応した印加電圧を加えることにより達成で
きる。

エネルギー分析器を通過した粒子はイオン検出器９Ａ、
９Ｂ・・・に入射し、電気信号として出力される。

イオン検出器としては個々の粒子の数を計数する二次電
子増倍管が用いられることが多い。

ところで上記構成の従来装置はエネルギー分析を静電的
に行ない、イオン検出器としてｅＶオーダーのエネルギ
ーの入射粒子にも有感な二次電子増倍管を用いているた
めに数ｋｅＶ以下の低エネルギーの入射粒子の分析が可
能であるという利点はあるが、中性粒子の質量ごとのエ
ネルギー分布を得るためにはエネルギー分析器に印加す
る電圧をそれぞれの質量に対応した電圧に設定する必要
があり、このため全測定時間に対する当該質量の粒子の
測定時間が制約されること、同一時間断面での各質量の
粒子のエネルギー分布測定が不可能であること等の欠点
があった。

また、エネルギー分析器は円弧状に配置されるので、分
析器の個数は空間的な制約によって大幅に制限され、装
置が大形である割にはエネルギー分解能が高くないとい
う欠点もあった。

本発明はこのような事情にもとづいてなされたもので、
その目的は、従来装置と遜色のない低エネルギー入射粒
子に対する感度を有してしかも小形で高エネルギー分散
能が得られ、質量の異なる粒子のエネルギー分布を同時
に測定することができる中性粒子検出装置を提供するこ
とにある。

以下、本発明の一実施例を図面を参照しながら説明する
。

第３図は中性粒子検出装置の概略構成を示すもので、第
１図と同一の部分には同一符号を付しである。

中性粒子ビーム１１は荷電交換部１に入射し荷電粒子ビ
ーム１２に変換された後、紙面に直交する磁場から成る
運動量分析マグネット７により粒子の運動量に対応した
偏向を受けて出射し、電極２３．２４の間を通過した後
、半導体検出装置２１に入射する。

電極２４は電源２５により電極２３に対して負の高電圧
に保たれ、また半導体検出装置２１も上記電源２５によ
り電極２４と同電位に保たれている。

なお、両電極２３゜２４の構造としては、両電極間に静
電界を保ちながら分析マグネット７を出射した粒子ビー
ムを透過させるようにするために網目状の構造が望まし
Ｇ）。

半導体検出装置２１は複数の表面障壁型シリコン半導体
検出器２２Ａ、２２Ｂ〜にて構成され、これらの検出器
２２Ａ、２２Ｂ〜は出射ビーム２０Ａ、２０Ｂ〜を全て
入射できるように一次元の配列がなされ、かつ各検出器
の入射面は上記出射ビームに対して直角をなしている。

第４図は第３図中、分析マグネットの出射ビーム２０Ａ
に沿った部分のみを取出して示すもので、他の出射ビー
ム２０Ｂ、２０Ｃ〜についても同様である。

シリコン半導体検出器２２Ａはシリコンウェーハ２７の
表裏面にそれぞれ金属蒸着層２８゜２９を設けて成り、
表裏面蒸着層２８．２９間には電源３０によりバイアス
電圧が印加され、表面蒸着層２８は高圧電源２５により
電極２４と同電位に保たれている。

そして検出器２２Ａからの出力信号は増幅器３１、波高
分析器３２へ伝えられるようになっている。

検出器２２Ａの裏面蒸着層２９は電源２５，３０により
接地電位から高電圧に浮いているので、増幅器３１は直
流電圧をカットできる構造となっていることが必要であ
る。

以上の構成において運動量分析マグネットを出射したビ
ーム２０Ａ、２０Ｂ〜のうちの一例として２０Ａについ
て信号取り出しまでを考察する。

運動量分析マグネットを最も曲率半径の小さい軌道で通
過するビーム２０Ａは最も低いエネルギーの粒子ビーム
であるので、検出可能となる最低エネルギーにより中性
粒子検出装置の性能を評価するひとつになる。

荷電粒子検出器としてシリコン表面障壁型半導体検出器
を用いた場合には、検出器表面の不感層での荷電粒子の
エネルギー損失と、検出器に直結した前記増幅器の熱的
雑音とにより、検出可能な最低の入射粒子エネルギーは
５〜６ｋｅＶ程度と考えられる。

そこでこのエネルギーより低いエネルギーの粒子を前記
半導体検出器で検出するために分析マグネットと検出器
２２Ａとの間に粒子加速用の静電界を印加すると、従来
の半導体検出器では検出不可能であった低エネルギー粒
子まで検出することが可能となる。

電源２５により電極２３を接地電位、２４を一■にバイ
アスすることにより、電極２３．２４の間の距離をｄと
すれば上記電極間には Ｅ＝Ｖ／ｄ （２） なる静電界が印加されることになる。

そこでこの静電界Ｅにより、分析マグネットを出射した
粒子ビーム２０Ａのエネルギーをε。

とすれば電極２３．２４を通過した後の粒子ビーム２６
Ａのエネルギー、は ε＝ε。

＋ｑ−Ｅ−ｄ＝εｏ＋ｑＶ （３） となる。

ここでｑはマグネット出射粒子の電荷素置である。

（３）式から明らかなように、粒子ビーム２６Ａは分析
マグネットを出射した粒子ビームのエネルギーよりも、
静電界により加速されたエネルギー分だけ高くなってい
る。

電源２５に必要な電圧は半導体検出器の検出下限エネル
ギーより幾分高いエネルギーに加速できる電界を与えら
れればよく、上記半導体検出器を用いる場合には一例と
して１０ｋＶの電源で可能となる。

なお、半導体検出器２２Ａを電極２４と同電位に保つの
は、電極２４と検出器２２Ａの間でエネルギーを保存す
るためである。

検出器２２Ａに入射する質量の異なった粒子の検出は、
半導体検出器が入射した粒子の運動エネルギーに比例し
た出力パルス信号を発生するものであることから、入射
粒子のエネルギーの差を利用して行なわれる。

例えば荷電粒子の成分として水素（Ｈ）、重水素（Ｄ）
、三重水素（Ｔ）のイオンを考えた場合ビーム２０Ａに
含まれるそれぞれのエネルギーは重水素は水素の１／２
、三重水素は水素の１／３となっている。

それぞれのエネルギーが半導体検出器で検出できる程充
分に高い場合には電極２３．２４に印加する電圧がなく
とも半導体検出器で検出して波高分析した後の波高分布
は第５図に示すように水素の波高２９と、その１／２の
波高値に表われる重水素の波高３０、水素の波高の１／
３に表われる三重水素の波高３１にわかれる。

一方、分析マグネットを出射した粒子ビーム２０Ａが、
そのままでは半導体検出器で検出できない場合には電極
２３．２４の間に電圧を加えてそれぞれを加速した後に
半導体検出器で検出するため出力波形は第６図に示す様
になる。

即ち静電界による加速外があるため水素、重水素、およ
び三重水素の波高値の割合が１対１／２対１／３にはな
らない。

検出可能なエネルギーの下限は第６図に示す様にそれぞ
れの質量による波高が分離して測定できる最下限の粒子
ビーム２０Ａに限定される。

これは半導体検出器の性能に依存するところが大きいが
、１ ｋｅＶ程度の水素粒子ビームまで可能である。

質量ごとの粒子のエネルギー分布の測定は第４図に示す
検出装置を異なった運動量の粒子ビーム２０Ａ、２０Ｂ
〜に対応した位置に設置することによりなされる。

以上のような構成であると、円弧状に配置するエネルギ
ー分析器が不要となるために半導体検出器を一次元的に
配置することができ、従来装置に比べて稠密な配置が可
能となり、その結果多数の検出器を配置してエネルギー
分解能を高めることができる。

また半導体検出器出力信号から同時に質量の異なった粒
子の測定が可能であるため、複数個配列し、同時に測定
することにより同一時刻における質量エネルギー分布を
測定することが可能となる。

なお、この実施例において運動量分析マグネットを１８
０°偏向型としたのは、出射粒子ビームをそれぞれ平行
ビームとし電極２３．２４によって均一な静電界を容易
に構成できるようにするためであったが、運動量分析マ
グネットは必ずしも１８０°偏向型に限定されるもので
なく、また出射ビームが平行ビームとなるように限定さ
れるものでもない。

また実施例では電極２３．２４により静電界を形成する
ものとしたが、変形例として半導体検出装置２１を接地
電位に対して負電位に保ち、電極２３，２４を使用しな
いようにすることも考えられる。

以上、実施例にもとづいて説明したように、本発明の中
性粒子検出装置によれば、従来半導体検出器では検出で
きなかった低エネルギーの中性粒子の検出が可能となり
、従来装置のようにエネルギー分析器を円弧状に配置す
る必要がないので装置の小形化をはかることができ、ま
た半導体検出器を高密度に配列できることからエネルギ
ー分解能を向上することができ、更に同一時間断面での
質量の異なる粒子のエネルギー分布を測定できるように
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来装置の概略構成を示す図、第２図は従来装
置におけるエネルギー分析器への印加電圧と時間との関
係を示す図、第３図は本発明の一実施例を示す概略構成
図、第４図は第３図の一部を取出して示す詳細図、第５
図及び第６図は同実施例における半導体検出器の出力信
号の一例を示す図である。 １・・・・・・荷電交換部、２・・・・・・イオン化装
置（ストリッピングセル）、６・・・・・・排気手段（
真空ポンプ）、７・・・・・・運動量分析器、８Ａ〜８
Ｅ・・・・・・エネルギー分析器、１１・・・・・・中
性粒子ビーム、１２・・・・・・荷電粒子ビーム、２０
Ａ〜２０Ｈ・・・・・・運動量分析器出射ビーム、２１
・・・・・・半導体検出装置、２２Ａ〜２２Ｈ・・・・
・・シリコン表面障壁型半導体検出器、２６Ａ〜２６Ｈ
・・・・・・半導体検出装置入射ビーム、３０・・・・
・・バイアス電源、３１・・・・・・増幅器、３２・・
・・・・波高分析器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 中性粒子のビームを荷電粒子のビームに変換するた
   めのイオン化装置と、このイオン化装置の周囲を高真空
   状態に保持する排気手段と、上記イオン化装置から出射
   した荷電粒子ビームについて運動量に比例した偏向を行
   なう運動量分析器と、この運動量分析器を出射したビー
   ムを加速するための静電群を与える手段と、前記静電界
   を通過したビームを形成する粒子から質量及び運動エネ
   ルギーの大きさに応じたパルス波高を有するパルス信号
   を発生させる半導体検出装置とを具備したことを特徴と
   する中性粒子検出装置。