JPS6331920B2 - - Google Patents

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つて、イ
オンビームを延長した形で数KeVのエネルギー
をもつ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
の散乱が大となり、また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つてイ
オンビーム自体の減衰も増加するため、或る程度
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つてイオンビームの中
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つて、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
実施例によつ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10^-5Torr程度の真空になつている。
Ｄ４はイオン反射電極で中央に中性原子ビーム出
射アパーチヤＡ４が開口させてある。Ｉ４はこの
イオン反射電極を外筐１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
ム発生部であり、ガス導入管ｇ１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によつ
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を通してガスが導
入されていて、イオン源Ｓ内の圧力はその外部よ
り高くなつている。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Ｄ
１，Ｄ２，Ｄ３は静電レンズ系を形成する電極で
あり、Ｄ１，Ｄ３はアース電位であり、中央のＤ
２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つている。
イオン源Ｓには高電圧が印加されており、電極Ｄ
１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Ｄ１によつて引出され、イオン
源Ｓと電極Ｄ１との間の電位差によつて加速さ
れ、電極Ｄ１，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ヤ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り、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
パーチヤＡ４に向つ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空間内の
ガスの中性原子との衝突において前述した共鳴電
荷交換反応が起り高エネルギーを持つた中性原子
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、右方へ進空する中性原子ビーム
がアパーチヤ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Nn1は Nn1＝ｎ・σ・Ni1 …(1) で表わされる。こゝ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つたから得
られる中性原子ビームの強さは上記(1)式で与えら
れるものであつた。この場合中性原子ビームの強
度Nn1を大にするにはNi1が一定ならｎを増す必
要があるが、ｎを余り大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
つ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
衰が大となつて却つ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 Nn2＝nσ（Ni1−Nn1） …(2) で与えられる。上式右辺（）内でNn1を引いてい
るのは、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
Ｋ回目の衝突空間通過における中性原子ビーム強
度NnKは NnK＝nσ（Ni1−_K-1 〓^j=1 Nnj） …(3) となる。図で中性原子ビーム出射アパーチヤＡ４
から右方へ出射する中性原子ビームの強度Ｎは上
記Nn1…NnK…のうち奇数番目のものだけを合
計したもので Ｎ＝_∞ 〓^j=1 Nn2j−１＝Ni1／２ 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
アパーチヤには金網Ｍ１が張設してあり、また電
極Ｄ３の電極Ｄ４に対向するアパーチヤにも金網
Ｍ２が張設してあるが、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ために設けたもの
である。またイオン反射電極Ｄ４の右側にも金網
Ｍ３が張設してあるが、これはイオン反射電極に
高電圧が印加してあるので、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ため
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
号をつけ一々の説明は省略し、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Ｄ１〜Ｄ３によつ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
ようにしてある。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の出射アパーチヤまで戻り
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つ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、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ
３……レンズ系を構成する電極、Ｄ４……イオン
反射電極、ｇ１，ｇ２……ガス導入管。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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
   るようにした中性原子ビーム発生装置。