JPS5956400A - 中性原子ビ−ム発生装置 - 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】 本発明は高速の中性原子ビームを発生させる装置に関す
る、この種の装置は、中性原子ビームを試料に当て、試
料から放出される２次イオンについて質量分析等を行う
とか、試料面を削除する等の場合に原子ビーム源として
用いられるものである。

中性原子はそれ自身直接加速することができないが、同
種原子のイオンを別に発生させて、このイオンを加速し
、この加速されたイオンと同種原子との間の共鳴電荷交
換反応を利用して高速の中性原子を得ることができる。

共鳴電荷交換反応はイオンとそのイオンと同種の中性原
子との間で電荷のみの交換が行われ、イオンがその有し
ていた運動量及び運動のエネルギーを殆んど失わないで
中性原子に変換される反応である。数ＫＶの電圧で加速
されたイオンビームを同種原子のガス中を通過させると
上述した電荷交換反応が起って、イオンビームを延長し
た形で数ＫｅＶのエネルギーをもった中性原子ビームが
形成されるが、イオンビームの中性原子ビームへの変換
効率を高めるために、中性原子ビームを発生させる空間
の中性原子密度を増加させると、即ちガス圧を上げると
発生した中性原子ビーム中の原子と中性原子ガス中の原
子との衝突の機会が増加して中性原子ビームの散乱が犬
となり、捷だイオンと中性原子との間の上述電荷交換反
応以外の反応の増加によってイオンビーム自体の減衰も
増加するため、成る程度以上に中性原子ビームを強める
ことはできない。

本発明は特別の工夫によってイオンビームの中２− 性原子ビームへの変換効率を高め低い入力のイオンビー
ムで強い中性原子ビームを得ることのできる中性原子ビ
ーム発生装置を提供しようとするものである。

本発明は中性原子ビーム発生空間にイオン反射電極を設
けてこの空間内でイオンを往復運動させることにより、
発生した中性原子ビームの原子と中性原子ガスの原子と
の衝突の機会を増大させることなしに、イオンと中性原
子との衝突の機会を増大させることによって、低入力で
強い中性原子ビームを得ることを特徴とするものである
。以下実施例によって本発明を詳述する。

第１図は本発明の一実施例を示す。１は装置外筐でアー
ス電位であり不図示の排気ポンプに接続されて内部は１
０　　’Ｔｏｒｒ程度の真空になっている。Ｄ４はイオ
ン反射電極で中央に中性原子ビーム出射アパーチャＡ４
が開口させである。工４はこのイオン反射電極を外筐ｌ
内に保持する絶縁体である。イオン反射電極Ｄ４から左
側が中性原子ビーム発生部であシ、ガス導入管ｇｌを通
してガスが導入されている。Ｓはイオン源で絶縁体Ｉｓ
によって外筐内に支持され高電圧が印加されている。イ
オン源Ｓ内にもガス導入管ｇ２を通１〜でガスが導入さ
れていて、イオン源Ｓ内の圧力はその外部より高くなっ
ている。イオン源Ｓ内には電子ビームが形成してあり、
導入されたガスの原子と電子との衝突によりイオンが発
生せしめられている。イオン源Ｓとイオン反射電極Ｄ４
との間の空間でＤＩ、Ｄ２．Ｄ３は静電レンズ系を形成
する電極であり、ＤＩ、Ｄ３はアース電位であり、中央
のＤ２には適当な電圧が印加されており、レンズ系全体
としてイオンを収束させるようになっている。イオン源
Ｓには高電圧が印加されており、電極Ｄ１がアース電位
であるので、イオン源Ｓ内で発生したイオンは電極ＤＩ
によって引出され、イオン源Ｓと電極Ｄ　］、との間の
電位差によって加速されて、電極ＤＩ、Ｄ２．Ｄ３で囲
まれた衝突空間内に入射せしめられる。衝突空間に入射
したイオンは右方に進行しながら収束せしめられ、中性
原子ビーム出射アパーチャＡ４に向う。イオン反射電極
Ｄ４にはイオン源Ｓと同電位或はそれより若干高い高電
圧が印加してあシ、レンズ系の電極Ｄ３との間にはイオ
ン減速電界が形成されていて、アパーチャＡ４に向って
進行して来たイオンはこの電界により反射される。この
ため衝突空間に入射したイオンは同空間内を繰返し往復
運動する。このイオンの往復運動の間にイオンと衝突辛
子が生ずる。この中性原子は前述したようにもとのイオ
ンと同じ運動エネルギー及び運動量を有するので、結局
右方向と左方向に進行する中性原子ビームが形成され、
右方へ進学する中性原子ビームがアパーチャＡ４から右
方へ出射することになる。

今共鳴電荷交換反応の反応断面積をσとし、衝突空間内
のガスの中性原子密度をｎ、イオンビームの強度をＮｉ
、　中性原子ビームの強度をＮｎとすると、イオンが一
回衝突空間を通過したときの中性原子ビームの強度Ｎｎ
　１は Ｎｎ１＝ｎ・σ・Ｎｉ１−　・・・・・・・・・・・・
・・・（１）で表わされる。こ＼で添数字は一回目の通
過を意味する。従来はイオン反射電極Ｄ４がなくてイオ
ンは衝突空間を一回通過するだけであったから得られる
中性原子ビームの強さは上記（１）式で与えられるもの
であった。この場合中性原子ビームの強度Ｎｎｌを犬に
するにはＮｉｌが一定ならｎを増す必要があるが、ｎを
余り犬にすると前述したように折角発生した高エネルギ
ーの中性原子が衝突によって散乱されまたイオンと中性
原子との間の共鳴電荷交換反応以外の反応によるイオン
ビームの減衰が犬となって却って中性原子ビームの強度
が低下する。本発明では共鳴電荷交換反応以外の反応が
無視できる程度にｎを設定している。そこでイオンの往
復運動でイオンの２回目の衝突空間通過を考えると、そ
のとき発生する中性原子ビーム強度Ｎｎ２は Ｎ　ｎ　２　＝　ｎ　ａ　（Ｎｉ１−Ｎｎｌ　）−−・
−＝・（２）で与えられる。−り式右辺０内でＮ　ｎ　
１を引いているのけ、イオンビーム・の一部が中性原子
ビームに変化した分だけイオンビーム強度が低下するこ
とを表わしたものである。以下同様にしてイオンのに回
目の衝突空間通過における中性原子ビーム強となる。図
で中性原子ビーム出射アパーチャＡ４から右方へ出射す
る中性原子ビームの強度Ｎは上記Ｎｎｌ・・・ＮｎＫ・
・・のうち奇数番目のものだけをとなり有効な中性原子
ビームの変換効率は５０％となる。

なお第１図で電極Ｄ１のイオン源Ｓに対向するアパーチ
ャには金網Ｍ１が張設してあり、また電極Ｄ３の電極Ｄ
４に対向するアパーチャにも金網λ Ｍｔが張設しであるが、これらの金網は夫々イオン源Ｓ
と電極Ｄ１間及び電極Ｄ３．Ｄ４間のイオン加速及びイ
オン反射電界がＤ１〜Ｄ３間の衝突空間内に侵入するの
を遮蔽するだめに設けたものである。またイオン反射電
極Ｄ４の右側にも金網ＭＪが張設しであるが、これはイ
オン反射電極に高電圧が印加しであるので、この電圧に
よる電界が図外右方の装置内空間にまで及ぶのを防ぐだ
めである。

第２図は本発明の他の実施例を示す。この図においても
第１図の各部と対応する部分には同じ符号をつけ−々の
説明は省略し、第１図の実施例と異る点だけを説明する
。この実施例ではレンズ系のレンズＤＩ、Ｄ３によって
囲まれた空間とは別に衝突室Ｃを設け、衝突室Ｃ内にガ
スを導入するようにしである。イオン源Ｓから引出され
Ｓと電極Ｄ１との間で加速されたイオンビームは電極Ｄ
１〜Ｄ３よりなるレンズ系で衝突室Ｃ内に収束され、衝
突室Ｃを通過したイオンは反射電極Ｄ４で反射されてイ
オン源Ｓの出射アパーチャ捷で戻９再び右方に加速され
て電極Ｄ４とイオン源Ｓとの間を往復する。この構成で
は衝突室Ｃに導入されるガスの排気損失が少く、微量の
ガス導入で充分な中性原子ビームが得られる利点がある
。

本発明装置は上述したような構成で、イオンビームは衝
突空間内を往復するので略全部が共鳴電荷交換反応にあ
づかり高効率で中性原子ビームに変換される一方、発生
した中性原子ビームは衝突空間を最大で一回通過するだ
けであるから他の原子との衝突による散乱は殆んど全く
起らず、低パワーのイオン源であっても充分強い中性原
子ビームを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は夫々異る本発明の実施例の縦断側面
図である。 １・・・外筐、Ｓ・・・イオン源、Ｄ’ｌ、Ｄ２．Ｄ３
・・・レンズ系を構成する電極、Ｄ４・・・イオン反射
電極、ｇｌ２ｇ２・・・ガス導入管。 代理人　弁理士　　　係　　　浩　　介９−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. イオン源において発生したイオンを加速する電極と、こ
   の加速されたイオンを反射させる電極とを設け、両電極
   間でイオンを往復運動させるようにすると共に、上記両
   電極間に中性原子ガスを導入して、両電極間でイオン中
   性化反応を起させるようにしだ中性原子ビーム発生装置
   。