JPH0121585B2 - - Google Patents

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JPH0121585B2
JPH0121585B2 JP54010990A JP1099079A JPH0121585B2 JP H0121585 B2 JPH0121585 B2 JP H0121585B2 JP 54010990 A JP54010990 A JP 54010990A JP 1099079 A JP1099079 A JP 1099079A JP H0121585 B2 JPH0121585 B2 JP H0121585B2
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JP
Japan
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charged particle
magnetic field
magnet
particle
spectrograph
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Hidetsugu Ikegami
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は荷電粒子スペクトログラフ、質量分析
器等の荷電粒子測定用分析装置に関するものであ
る。以下の設明では、主に、荷電粒子スペクトロ
グラフについて述べるが、本発明はこれに限定さ
れるものではない。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an analytical device for measuring charged particles, such as a charged particle spectrograph or a mass spectrometer. In the following introduction, a charged particle spectrograph will be mainly described, but the present invention is not limited thereto.

一般に、この種の荷電粒子スペクトログラフは
磁場発生要素を有する荷電粒子光学系と、原子核
乾板等によつて構成された粒子位置検出系とを備
えている。このうち、荷電粒子光学系では、入射
する荷電粒子をその運動量あるいはエネルギーに
応じた粒子位置検出系上の位置に焦点線の形で結
像させている。したがつて、荷電粒子スペクトロ
グラフにおいては、粒子位置検出系上の荷電粒子
数及び位置を読み取ることによつて、有限範囲の
運動量又はエネルギーの荷電粒子スペクトルを一
挙に測定することが出来る。
Generally, this type of charged particle spectrograph is equipped with a charged particle optical system having a magnetic field generating element and a particle position detection system configured with a nuclear emulsion plate or the like. Among these, the charged particle optical system images an incident charged particle in the form of a focal line at a position on the particle position detection system according to its momentum or energy. Therefore, in a charged particle spectrograph, by reading the number and position of charged particles on a particle position detection system, a charged particle spectrum of a finite range of momentum or energy can be measured all at once.

従来、予め定められた運動量又はエネルギーの
範囲内にある荷電粒子スペクトルをデータ処理装
置を用いて、迅速に観測表示できる荷電粒子スペ
クトログラフが提案されている。この荷電粒子ス
ペクトログラフは粒子位置検出系として、荷電粒
子の結像位置に配置された多数の位置検出計数管
を有し、各位置検出計数管における計数結果をデ
ータ処理装置に順次入力する構成を備えている。
Conventionally, charged particle spectrographs have been proposed that can quickly observe and display charged particle spectra within a predetermined momentum or energy range using a data processing device. This charged particle spectrograph has a large number of position detection counters placed at image formation positions of charged particles as a particle position detection system, and has a configuration in which the counting results of each position detection counter are sequentially input to a data processing device. We are prepared.

ここで、荷電粒子スペクトログラフの性能をあ
らわす指数には、通常、分離識別できる運動量又
はエネルギーの差の度合を示す分解能と、運動量
又はエネルギーの異なる荷電粒子の結像位置の離
れ具合を示す分散とがあり、これら分解能及び分
散は主に荷電粒子光学系の磁場及び大きさ等によ
つて定まる。説明の簡便上、以下ことわりない限
り運動量分解能、運動量分散について述べるが、
エネルギー分解能、エネルギー分散について同様
の議論が行なえるのはあらためて言うまでもな
い。ここで言う分解能とはイオン光学的1次分解
能のことであつて、像が収差による拡がりを持つ
ていない時、幅が零と見做せる粒子検出スリツト
を用いて分析する理想的な場合に、スペクトログ
ラフ全系が識別可能な最小運動量差ΔPと標準粒
子の運動量Ppの比Pp/ΔPで定義される。この1
次分解能はD(Mxp-1と書きあらわすことが出来
る。ここでDは運動量がPp+ΔPの粒子線の像が
(光学系の光軸に相当する)主軌道に対して直角
方向に分散される大きさD・ΔP/Ppで定義され
る運動量分散のことである。又、Mは像倍率、xp
は粒子線源の幅である。実効分解能と言うのは位
置識別可能な最小幅がxdの粒子位置検出器をスペ
クトログラフに装置して粒子線を分析する場合の
全系の実効運動量分解能のことであり、D(Mxp
+xd+xh-1と表わすことが出来る。ここで、xh
は像の収差による拡がりである。データ処理装置
と結合した構成を有する前述した荷電粒子スペク
トログラフでは、位置識別に限界のある計数管を
用いているため、これら検出器固有の位置識別能
力(ここでは、位置検出分解能と呼ぶ)が原子核
乾板のそれに比べて劣つていることをも考慮しな
ければならない。これは原子核乾板を粒子位置検
出に使用する場合に比べて、分散を大きくする必
要があることを意味している。
Here, the index expressing the performance of a charged particle spectrograph usually includes resolution, which indicates the degree of difference in momentum or energy that can be separated and identified, and dispersion, which indicates the distance between the imaging positions of charged particles with different momentum or energy. The resolution and dispersion are mainly determined by the magnetic field and size of the charged particle optical system. For the sake of simplicity, we will discuss momentum resolution and momentum dispersion below unless otherwise specified.
Needless to say, similar arguments can be made regarding energy resolution and energy dispersion. The resolution referred to here refers to the ion optical first-order resolution, and in the ideal case when the image does not have any spread due to aberrations and is analyzed using a particle detection slit whose width can be assumed to be zero, The entire spectrograph system is defined by the ratio P p /ΔP of the minimum momentum difference ΔP that can be distinguished and the momentum P p of the standard particle. This one
The next resolution can be expressed as D(Mx p ) -1 . Here, D is the momentum dispersion defined by D・ΔP/P p, which is the magnitude at which the image of the particle beam with momentum P p + ΔP is dispersed in the direction perpendicular to the main orbit (corresponding to the optical axis of the optical system). It is about. Also, M is the image magnification, x p
is the width of the particle source. The effective resolution refers to the effective momentum resolution of the entire system when particle beams are analyzed using a spectrograph equipped with a particle position detector whose minimum width that can identify the position is x d , and D(Mx p
+x d +x h ) -1 . Here, x h
is the spread due to image aberration. The above-mentioned charged particle spectrograph, which has a configuration combined with a data processing device, uses a counter tube that has a limit to position identification, so the position identification ability (herein referred to as position detection resolution) unique to these detectors is limited. It must also be taken into consideration that it is inferior to that of nuclear emulsions. This means that it is necessary to increase the dispersion compared to when a nuclear emulsion plate is used for particle position detection.

粒子位置検出系として粒子位置検出計数管を使
用した荷電粒子スペクトログラフにおいては、上
記した分散と同時的に観測できる荷電粒子スペク
トルのエネルギー又は運動量の範囲(所謂、広域
性)との間の関係を考えておく必要がある。例え
ば、一般的に、広い範囲にわたるエネルギー又は
運動量を有する荷電粒子スペクトルを測定するた
めには、分散は小さい方が望ましい。したがつ
て、粒子位置検出計数管を用いた高分解能荷電粒
子スペクトログラフは分散性が大きすぎて広域に
わたつてスペクトル測定を行なう場合には、不向
きである。また前述したように、このスペクトロ
グラフ全体の実効分解能は計数管の位置検出分解
能によつても支配されるため、高い実効分解能が
要求される場合、大きな分散性を持つスペクトロ
グラフでない限り充分な効果を発揮することがで
きない。
In a charged particle spectrograph that uses a particle position detection counter as a particle position detection system, the relationship between the above-mentioned dispersion and the range of energy or momentum of the charged particle spectrum that can be observed simultaneously (so-called wide range) is I need to think about it. For example, in general, in order to measure a charged particle spectrum having energy or momentum over a wide range, it is desirable that the dispersion be small. Therefore, a high-resolution charged particle spectrograph using a particle position detection counter has too large a dispersion property and is not suitable for performing spectrum measurements over a wide area. Furthermore, as mentioned above, the effective resolution of this spectrograph as a whole is also controlled by the position detection resolution of the counter, so if high effective resolution is required, it will not be effective unless the spectrograph has large dispersion. unable to demonstrate.

本発明の目的は必要に応じて分解能及び分散の
いずれか一方または両方共を変化できる荷電粒子
スペクトログラフを提供することである。
It is an object of the present invention to provide a charged particle spectrograph whose resolution and/or dispersion can be varied as required.

本発明の他の目的は粒子検出系として計数管を
使用したシステムに適用した場合、計数管の位置
検出分解能に応じた分散を与えることができる荷
電粒子スペクトログラフを提供することである。
Another object of the present invention is to provide a charged particle spectrograph that, when applied to a system using a counter as a particle detection system, can provide dispersion in accordance with the position detection resolution of the counter.

本発明のより他の目的は広域にわたる観測だけ
でなく高分解能を要求される観測にも適用できる
荷電粒子スペクトログラフを提供することであ
る。
Another object of the present invention is to provide a charged particle spectrograph that can be applied not only to observations over a wide area but also to observations requiring high resolution.

本発明の更に他の目的はデータ処理装置と結合
できる機動性の高い荷電粒子スペクトログラフを
提供することである。
Yet another object of the invention is to provide a highly mobile charged particle spectrograph that can be coupled to data processing equipment.

本発明によれば、双極マグネツトと、この双極
マグネツトの分解能分散の向上をはかるための補
助マグネツトとを有する混成マグネツト型荷電粒
子スペクトログラフにおいて、設置位置及び設置
角度の少なくとも一方を可変できる前記補助マグ
ネツトとしての4極マグネツトを荷電粒子軌道に
沿つて配置しておき、観測目的に応じてこの4極
マグネツトを変化させることにより、必要な分解
能あるいは分散を得ることができる荷電粒子スペ
クトログラフが得られる。
According to the present invention, in a hybrid magnet type charged particle spectrograph having a dipole magnet and an auxiliary magnet for improving the resolution dispersion of the dipole magnet, the auxiliary magnet is capable of varying at least one of its installation position and installation angle. A charged particle spectrograph that can obtain the required resolution or dispersion can be obtained by placing a quadrupole magnet along the charged particle trajectory and changing the quadrupole magnet according to the purpose of observation.

以下図面を参照して説明する。 This will be explained below with reference to the drawings.

第1図及び第2図を参照すると、本発明の前提
となる荷電粒子スペクトログラフ(以下、比較対
象スペクトログラフと呼ぶ)が本発明の理解を容
易にするために示されている。このスペクトログ
ラフは粒子線源Spからの荷電粒子を磁場(又は電
場)の対称面(以下中間面と云う)上の焦点線
(focal line)に沿つて配列した多重粒子位置検
出系Cに集束させるためのものである。実際上、
この焦点線は第1図に示すように、直線に近い曲
線で各荷電粒子はその運動量に応じた焦点線上の
結像点I1−I0−I2に集束する。このスペクトログ
ラフは荷電粒子光学系として、粒子線源Sp側に設
けられた第1の双極マグネツトD1と、粒子位置
検出系C側に設置された第2の双極マグネツト
D2とを有している。説明を簡略化するため、第
1図では両双極マグネツトD1,D2の標準軌道を
直線化して表わしその軌道半径を共にrpとしてい
るが、一般には異なつていても差支えない。
Referring to FIGS. 1 and 2, charged particle spectrographs (hereinafter referred to as comparative spectrographs), which are the premise of the present invention, are shown to facilitate understanding of the present invention. This spectrograph focuses charged particles from a particle beam source S p onto a multiple particle position detection system C arranged along a focal line on a plane of symmetry (hereinafter referred to as the intermediate plane) of a magnetic field (or electric field). It is for the purpose of In practice,
As shown in FIG. 1, this focal line is a curved line that is close to a straight line, and each charged particle is focused on an imaging point I 1 -I 0 -I 2 on the focal line according to its momentum. This spectrograph has a charged particle optical system consisting of a first dipole magnet D1 installed on the side of the particle beam source Sp , and a second dipole magnet installed on the side of the particle position detection system C.
D 2 . To simplify the explanation, in FIG. 1, the standard orbits of both dipole magnets D 1 and D 2 are shown as straight lines, and the orbit radii are both r p , but in general, they may be different.

通常、第1、第2の双極マグネツトD1,D2
磁場境界は磁極端効果と呼ばれる集束、発散性を
作るために荷電粒子軌道に対して斜行するように
設計してある。第1図の双極マグネツトD1入口、
D2出口は夫々α1,α2の斜交角度を持つており、
これ等の磁場境界を横切る時、荷電粒子は中間面
内で夫々焦点距離−f10=−rp/tanα1、−f20=−rp
tanα2の 凹レンズに相当する発散作用を受け、垂直面内で
夫々+f10=+rp/tanα1、+f20=rp/tanα2の凸レン
ズに相 当する集束作用を受ける。
Normally, the magnetic field boundaries of the first and second dipole magnets D 1 and D 2 are designed to be oblique to the charged particle trajectory in order to create convergence and divergence called the magnetic pole effect. Inlet of bipolar magnet D1 in Fig. 1,
The D2 exits have oblique angles of α 1 and α 2 , respectively.
When crossing these magnetic field boundaries, the charged particle has focal lengths −f 10 = −r p /tanα 1 and −f 20 = −r p / in the intermediate plane, respectively.
It receives a diverging effect corresponding to a concave lens with tan α 2 , and a converging effect corresponding to a convex lens with +f 10 =+r p /tan α 1 and +f 20 = r p /tan α 2 in the vertical plane, respectively.

第1図及び第2図を参照して動作を説明する。
第1の双極マグネツトD1入口の前方a0の距離に
ある粒子線源Spから放出される粒子のうち、標準
粒子運動量Ppの粒子は第2の双極マグネツトD2
出口から距離b0の位置I0に集束する。また、運動
量Pp+ΔP及びPp−ΔPの粒子はそれぞれI1及びI2
に結像する。ここで、標準粒子運動量Ppの粒子に
ついて述べると、この粒子は第1図に示すよう
に、中間面内で第1の双極マグネツトD1入口の
磁極端効果により距離a0′から放出されたかのよ
うな形で、即ち、発散した形で第1の双極マグネ
ツトD1入口で屈折する。他方、この粒子は第2
図に示すように、垂直面内では実際の距離a0より
遠い位置から出発したかのような形で、即ち、集
束する方向で第1の双極マグネツトD1入口で屈
折する。第1の双極マグネツトD1内の双極磁場
により粒子軌道は曲げられ、、第1及び第2の双
極マグネツトD1及びD2間の自由空間(即ち、無
電磁場空間)を経て第1図及び第2図に示すよう
に、主軌道にそつて直進し、第2の双極マグネツ
トD2に入射される。第2の双極マグネツトD2は、
第1の双極マグネツトD1と同様に、粒子の軌道
を曲げる。第2の双極マグネツトD2出口の磁極
端効果は第1図に示すように中間面内で、距離
b0″の位置に向かう粒子を発散させて、距離b0
位置I0に集束させる一方、第2図に示すように、
垂直面内で集束要素として働き、粒子を位置I0
立体集束させる。一般に、スペクトログラフの結
像点における分散D、分解能Rは次式であらわさ
れる。
The operation will be explained with reference to FIGS. 1 and 2.
Among the particles emitted from the particle beam source S p located at a distance a 0 in front of the entrance of the first dipole magnet D 1 , particles with standard particle momentum P p are transferred to the second dipole magnet D 2 .
It focuses at a position I 0 at a distance b 0 from the exit. Also, particles with momentum P p +ΔP and P p −ΔP are I 1 and I 2 respectively
image is formed. Now, regarding a particle with standard particle momentum P p , this particle is ejected from a distance a 0 ' in the intermediate plane due to the magnetic pole effect at the entrance of the first dipole magnet D 1 , as shown in Figure 1. It is refracted at the entrance of the first dipole magnet D1 in such a manner, that is, in a diverging manner. On the other hand, this particle
As shown in the figure, it is refracted at the entrance of the first dipole magnet D 1 in the vertical plane as if it had started from a position further away than the actual distance a 0 , ie in the direction of convergence. The particle trajectory is bent by the dipole magnetic field in the first dipole magnet D1 , and passes through the free space (i.e., the electromagnetic field-free space) between the first and second dipole magnets D1 and D2 . As shown in Figure 2, it travels straight along the main orbit and is incident on the second dipole magnet D2 . The second dipole magnet D 2 is
Similar to the first dipole magnet D1 , it bends the trajectory of the particles. The magnetic pole effect at the exit of the second dipole magnet D2 is within the intermediate plane and at a distance as shown in Figure 1.
While the particles heading towards the position b 0 ″ are diverged and focused at the position I 0 at a distance b 0 , as shown in Fig. 2,
It acts as a focusing element in the vertical plane and spatially focuses the particles to the position I 0 . Generally, the dispersion D and resolution R at the imaging point of a spectrograph are expressed by the following equations.

R=(Mxpθp-1T pxd …(1) D=θp -1T pxd …(2) ここに、θpは中間面上の線源における主軌道に
対する粒子の放出角度であり、xはその軌道と主
軌道との間の巾、Tはスペクトログラフの全偏
向角である。両式から明らかなように分解能及び
分散を決める倍率M,x/xp等はスペクトログラ
フの設定条件が決まれば一義的に定まるもので自
由に変えることができない。一方、粒子位置検出
に使用される実用的な粒子位置検出計数管の位置
分解能は1mm程度である。したがつて、前述した
ように、この形式のスペクトログラフの用途は非
常に制限される。
R=(Mx p θ p ) -1T p xd …(1) D=θ p -1T p xd …(2) Here, θ p is the particle's main orbit in the source on the intermediate plane. is the emission angle, x is the width between its orbit and the main orbit, and T is the total deflection angle of the spectrograph. As is clear from both equations, the magnification M, x/x p , etc. that determine the resolution and dispersion are uniquely determined once the spectrograph setting conditions are determined and cannot be changed freely. On the other hand, the position resolution of a practical particle position detection counter used for particle position detection is about 1 mm. Therefore, as mentioned above, the applications of this type of spectrograph are very limited.

第3図及び第4図を参照すると、本発明の一実
施例に係る荷電粒子スペクトログラフは第1図及
び第2図に示すスペクトログラフに、更に、第1
及び第2の4極マグネツトQ1及びQ2を付加した
構成を有している。このうち、第1の4極マグネ
ツトQ1は粒子線源Spと第1の双極マグネツトD1
との間に設置されており、第2の4極マグネツト
Q2は第2の双極マグネツトD2と粒子位置検出系
Cとの間に設置されている。これら第1及び第2
の4極マグネツトQ1及びQ2は例えば、油圧、電
動モーター駆動等による摺動装置を用いて、主軌
道上の設置位置、あるいは同様な回転駆動装置等
を用いて主軌道に対する設置角度を調整できるも
のとする。また、第1及び第2の4極マグネツト
Q1及びQ2は通常中間面内で発散要素、垂直面内
で集束要素として作用する。ここでは、第1の4
極マグネツトQ1の焦点距離を±f1とし、第2の4
極マグネツトQ2の焦点距離を±f2とする。今、第
1図及び第2図を参照して説明した比較対象スペ
クトログラフと本発明のスペクトログラフとを比
較するため、第1図及び第2図と同じ位置に粒子
線源Sp及び粒子位置検出系Cが配置された場合を
考える。このような前提のもとにおける第1の双
極マグネツトD1出口、第2の双極マグネツトD2
出口の磁極端効果の焦点距離をそれぞれ±f1′及
び±f2′とする。
Referring to FIGS. 3 and 4, a charged particle spectrograph according to an embodiment of the present invention further includes a first spectrograph in addition to the spectrograph shown in FIGS.
It has a configuration in which second quadrupole magnets Q 1 and Q 2 are added. Of these, the first quadrupole magnet Q 1 is connected to the particle beam source S p and the first dipole magnet D 1
The second 4-pole magnet
Q 2 is installed between the second dipole magnet D 2 and the particle position detection system C. These first and second
For example, the four-pole magnets Q 1 and Q 2 can be adjusted in position on the main track using a sliding device driven by hydraulic pressure or an electric motor, or their installation angle relative to the main track can be adjusted using a similar rotary drive device. It shall be possible. In addition, the first and second quadrupolar magnets
Q 1 and Q 2 usually act as diverging elements in the intermediate plane and converging elements in the vertical plane. Here, the first 4
The focal length of the polar magnet Q 1 is ±f 1 , and the second 4
Let the focal length of the polar magnet Q 2 be ±f 2 . Now, in order to compare the comparative spectrograph explained with reference to FIGS. 1 and 2 and the spectrograph of the present invention, the particle beam source S p and the particle position are placed at the same position as in FIGS. 1 and 2. Consider a case where detection system C is arranged. Under such a premise, the first bipolar magnet D 1 outlet and the second bipolar magnet D 2
Let the focal lengths of the exit pole tip effects be ±f 1 ′ and ±f 2 ′, respectively.

次に、この構成の荷電粒子スペクトログラフに
おける荷電粒子軌道について説明する。ここで、
粒子線源Spと第1の4極マグネツトQ1の中心位
置間の距離をa1とし、粒子線源Spと第1の双極マ
グネツトD1入口間の距離を前述と同様にa0とす
る。また、結像位置I0と第2の4極マグネツトQ2
出口の距離をb1とし、結像位置I0と第2の双極マ
グネツト出口距離を前述と同様にb0とする。ま
ず、中間面内における第1の双極マグネツトD1
側の荷電粒子軌道を第1図及び第2図の軌道と同
じにするために、第1の双極マグネツトD1の入
射端における接線と主軌道との交点をSとし、そ
の交点の位置は第1図と同様に第1の双極マグネ
ツト入口からa0′の距離であるとする。更に、説
明の簡便上中間面内の軌道は第1及び第2の双極
マグネツトD1及びD2間の自由空間で主軌道とほ
ぼ平行であるという実用上の仮定を置いておく。
一方、垂直面内の粒子は第4図に示すように第1
の双極マグネツトD1の入射端通過後、第1の双
極マグネツトD1入口からd1′の距離にある主軌道
上の点I10′に向かつて進むものとする。このよう
な軌道を実現するために必要な第1の4極マグネ
ツトQ1及び第1の双極マグネツトD1入口の磁極
端効果の焦点距離f1およびf1′は次式であらわすこ
とができる。
Next, charged particle trajectories in the charged particle spectrograph with this configuration will be explained. here,
Let the distance between the particle beam source S p and the center position of the first quadrupole magnet Q 1 be a 1 , and let the distance between the particle beam source S p and the inlet of the first bipolar magnet D 1 be a 0 as described above. do. Also, the imaging position I 0 and the second quadrupole magnet Q 2
Let the exit distance be b 1 and let the imaging position I 0 and the second bipolar magnet exit distance be b 0 as before. First, the first dipole magnet D 1 in the intermediate plane
In order to make the charged particle trajectory on the side the same as the trajectory in Figs. 1 and 2, the intersection of the tangent at the incident end of the first dipole magnet D1 and the main trajectory is S, and the position of the intersection is It is assumed that the distance is a 0 ' from the inlet of the first bipolar magnet as in FIG. Furthermore, for convenience of explanation, it is assumed for practical purposes that the trajectory in the intermediate plane is approximately parallel to the main trajectory in the free space between the first and second dipole magnets D 1 and D 2 .
On the other hand, particles in the vertical plane have the first
After passing the entrance end of the first dipole magnet D 1 , it is assumed that the first dipole magnet D 1 moves toward a point I 10 ′ on the main orbit, which is a distance d 1 ′ from the entrance of the first dipole magnet D 1 . The focal lengths f 1 and f 1 ' of the pole tip effects at the entrances of the first quadrupole magnet Q 1 and the first dipole magnet D 1 necessary to realize such a trajectory can be expressed by the following equations.

f1=a1(1+k1-1/2 …(3) f1′=(a0/a1−1)(a1+f1)+f1/(a0+f10‐a0
/a1 2)(a1+f1)‐(a0+f10)f1 …(4) (但し、 k≡a1/a0−a1 〔1−a0(d1−a0′)/2a0′d1′−(a0−a1
)(d1′−a0′)〕 …(5)) 第4図からも明らかな通り、本発明のように、
第1の4極マグネツトQ1を配置した場合、垂直
面内の軌道は主軌道と交叉し、中間像I0′が生成
される。このスペクトログラフの分解能は第1の
4極マグネツト、第1及び第2の双極マグネツト
のみで決まる。
f 1 = a 1 (1 + k 1 ) -1/2 …(3) f 1 ′ = (a 0 /a 1 -1) (a 1 + f 1 ) + f 1 / (a 0 + f 10 -a 0
/a 1 2 ) (a 1 +f 1 )-(a 0 +f 10 )f 1 …(4) (However, k≡a 1 /a 0 −a 1 [1−a 0 (d 1 −a 0 ′) /2a 0 ′d 1 ′−(a 0 −a 1
)(d 1 ′−a 0 ′)] …(5)) As is clear from FIG. 4, as in the present invention,
When the first quadrupole magnet Q 1 is placed, its trajectory in the vertical plane intersects the main trajectory and an intermediate image I 0 ' is generated. The resolution of this spectrograph is determined only by the first quadrupole magnet and the first and second dipole magnets.

本発明の実施例に係るスペクトログラフは第1
図及び第2図のものに比較して、 2f10/a0+f10〔(1−a1/a0)a1/f1+1〕倍の分解
能を有し ている。実用上、f10はa0に比較してかなり大き
く選べるから、この値はほぼ2〔(1−a1/a0)a1/f1
+ 1〕に近いものになる。
The spectrograph according to the embodiment of the present invention is the first
It has a resolution 2f 10 /a 0 +f 10 [(1-a 1 /a 0 )a 1 /f 1 +1] times that of the one shown in FIG. In practice, f 10 can be chosen to be much larger than a 0 , so this value is approximately 2 [(1-a 1 /a 0 )a 1 /f 1
+1].

以上の式からも明らかなように、第1及び第2
の双極マグネツトD1及びD2に対する粒子線源Sp
及び最終結像点I0の位置を変化させないで、第1
の4極マグネツトQ1の位置a1を変化させると、
その焦点距離f1の値が変化し、且つ、荷電粒子光
学系の分解能、即ち、スペクトログラフ全系の分
解能が変化する。したがつて、第1の4極マグネ
ツトQ1の位置を調整することによつて、観測目
的に応じた分解能を得ることができる。尚、第3
図及び第4図の構成では第1図及び第2図に示す
構成に比較して大きな粒子捕集立体角を得ること
ができる(特願昭53−146591号参照)。高分解能
をはかる等の実用上の理由で、焦点距離就中、
f1′の符号を反転させることは何等差支えない。
As is clear from the above equation, the first and second
Particle source S p for dipole magnets D 1 and D 2 of
and without changing the position of the final imaging point I 0 , the first
When the position a 1 of the four-pole magnet Q 1 is changed,
The value of the focal length f 1 changes, and the resolution of the charged particle optical system, that is, the resolution of the entire spectrograph system changes. Therefore, by adjusting the position of the first quadrupole magnet Q1 , it is possible to obtain a resolution suitable for the purpose of observation. Furthermore, the third
With the configurations shown in FIGS. 1 and 4, a larger particle collection solid angle can be obtained than with the configurations shown in FIGS. 1 and 2 (see Japanese Patent Application No. 146591/1983). For practical reasons such as measuring high resolution, the focal length is
There is no problem in reversing the sign of f 1 ′.

次に、粒子位置検出器C側の荷電粒子軌道につ
いて説明する。第1の双極マグネツトD1を出た
粒子は垂直面内であたかも第2の双極マグネツト
D2の出口から距離d2′の位置にある主軌道上の点
I20′から放出されたように第2の双極マグネツト
D2入口に入射するものとする。一方、中間面上
では、第2の4極マグネツトQ2の中心位置から
距離b0′の主軌道上の点Iに向かうように、粒子
は第2の双極マグネツトD2から放出されるもの
とする。第3図に示す第2の双極マグネツトD2
内の軌道は第1図のそれと同一であるものとして
議論を進める。前述した仮定に基く軌道が最終結
像点I0に立体集束するために必要とされる第2の
4極マグネツトQ2及び第2双極マグネツトD2
口の磁極端効果の焦点距離f2,f2′は夫々 f2=b1(1+k)-1/2 …(6) f2′=(b0/b1−1)(b1+f2)+f2/(b0+f20‐b0
/b1 2)(b1+f2)‐(b0+f20)f2 …(7) 但し、 k≡b1/b0−b1 〔1−b0(d2−b0′)/2b0′d2′−b0−b1)(d
2′−b0′)〕…(8) である。
Next, the charged particle trajectory on the particle position detector C side will be explained. The particles exiting the first dipole magnet D1 are placed in the second dipole magnet in the vertical plane.
A point on the main orbit located at a distance d 2 ′ from the exit of D 2
A second dipole magnet as emitted from I 20 '
Assume that the light is incident on D2 entrance. On the other hand, on the intermediate plane, particles are emitted from the second dipole magnet D 2 toward a point I on the main orbit at a distance b 0 ' from the center position of the second quadrupole magnet Q 2 . do. The second dipole magnet D 2 shown in FIG.
The discussion will proceed assuming that the orbit within is the same as that in Figure 1. Focal lengths f 2 , f of the magnetic pole effect at the exits of the second quadrupole magnet Q 2 and the second dipole magnet D 2 necessary for the trajectory based on the above-mentioned assumptions to three-dimensionally focus on the final imaging point I 0 2 ' are respectively f 2 = b 1 (1 + k) -1/2 ... (6) f 2 ' = (b 0 /b 1 -1) (b 1 + f 2 ) + f 2 / (b 0 + f 20 - b 0
/b 1 2 ) (b 1 +f 2 )-(b 0 +f 20 )f 2 …(7) However, k≡b 1 /b 0 −b 1 [1−b 0 (d 2 −b 0 ′)/ 2b 0 ′d 2 ′−b 0 −b 1 )(d
2 ′−b 0 ′)]…(8).

本発明に係るスペクトログラフは比較対象スペ
クトログラフに比べ2f20/b0+f20〔(1−b1/b0)b1
/f2+ 1〕倍の分散を有している。
Compared to the comparative spectrograph, the spectrograph according to the present invention has 2f 20 /b 0 +f 20 [(1-b 1 /b 0 )b 1
/f 2 + 1] times the dispersion.

この結果からも明らかな通り、第2の4極マグ
ネツトQ2の焦点距離f2はその位置b1に依存して変
化し、且つ、それに伴つて分散もb1に応じて変化
する。したがつて、第2の4極マグネツトQ2
位置b1を調整することによつて、分散を粒子位置
検出系に応じた値にすることができる。このこと
はこの荷電粒子光学系の分散即ちスペクトログラ
フ全系の分散を可変できることを意味している。
可変分解能に関する議論と同様に、実用上の理由
で第2の双極マグネツトD2出口の磁極端効果の
焦点距離f2′の符号を変えた設計にすることも可
能である。
As is clear from this result, the focal length f 2 of the second quadrupole magnet Q 2 changes depending on its position b 1 , and the dispersion also changes accordingly. Therefore, by adjusting the position b 1 of the second quadrupole magnet Q 2 , the dispersion can be set to a value corresponding to the particle position detection system. This means that the dispersion of this charged particle optical system, that is, the dispersion of the entire spectrograph system, can be varied.
Similar to the discussion regarding variable resolution, it is also possible for practical reasons to design the focal length f 2 ' of the pole tip effect at the exit of the second dipole magnet D 2 with a different sign.

上に述べた実施例では、最終結像点I0の位置b0
を不変として、立体集束性を保持したままで、第
2の4極マグネツトQ2の位置と焦点距離f2ならび
にf2′のみを調整して、分散を変化させている。
しかし、焦点線の平行移動に応じて粒子位置検出
系を移動させるのは実用上問題とならない場合が
多い。このような場合には、b0も可変として、分
散を変化させる構成にすることも可能である。ま
た、特殊な場合を除くと、第2の4極マグネツト
Q2の磁場(即ち、Q2の焦点距離f2)を変えると、
焦点線I1I0I2はI0を中心にして若干回転するから、
粒子位置検出系を平行移動しただけでは、I0以外
の結像は鮮明でなくなる。そこで、分散を可変と
しても、粒子位置検出系上の各点に、常に、鮮明
な像を結ばせる方法として、粒子位置検出系を焦
点線の回転に合わせて、焦点線中心I0を中心とし
て回転させる方法がある。この方法は駆動系が比
較的小型なもので充分であるという利点がある。
また、他の方法として、焦点線の回転を抑制する
方向に第2の4極マグネツトQ2を主軌道に対し
て回転させる方法がある。この方法は粒子位置検
出系に対する粒子の入射方向を常にほぼ一定にで
き、位置分解能を変動させないという利点があ
る。この場合の焦点線の主軌道に対する傾角Ψ0
の回転ΔΨ0は次式で与えられる。
In the example described above, the position b 0 of the final imaging point I 0
The dispersion is changed by adjusting only the position of the second quadrupole magnet Q 2 and the focal lengths f 2 and f 2 ', while keeping the three-dimensional focusing property unchanged.
However, in many cases, moving the particle position detection system in accordance with the parallel movement of the focal line does not pose a problem in practice. In such a case, it is also possible to make b 0 variable so as to change the dispersion. In addition, except for special cases, the second 4-pole magnet
When we change the magnetic field of Q 2 (i.e. focal length f 2 of Q 2 ),
Since the focal line I 1 I 0 I 2 rotates slightly around I 0 ,
If the particle position detection system is simply moved in parallel, images other than I 0 will not be clear. Therefore, even if the dispersion is variable, as a method to always form a clear image at each point on the particle position detection system, the particle position detection system is adjusted to the rotation of the focal line, and the focus line center I 0 is used as the center. There is a way to rotate it. This method has the advantage that a relatively small drive system is sufficient.
Another method is to rotate the second quadrupole magnet Q2 with respect to the main orbit in a direction that suppresses rotation of the focal line. This method has the advantage that the direction of incidence of particles into the particle position detection system can always be kept almost constant, and the position resolution does not vary. The inclination angle of the focal line with respect to the main orbit in this case Ψ 0
The rotation ΔΨ 0 is given by the following equation.

CotΨ0=D0/DCotΨ+(D/D0−D0/D)CotΨ1−b1 2
/D0f2 …(9) ΔΨ0=sin2Ψ0〔D0/Dsin-2Ψ・ΔΨ+(D/D
0−D0/D)sin-2Ψ1・ΔΨ1 +b1/f2{(1+D2/D0 2)CotΨ1−CotΨ}(
Δb1/b1−Δf2/f2) +b1/D0f2(2−Db1/D0f2)Δb1−1/D0(b
1/f22(1−Db1/D0f2)Δf2〕…(10) ここに、ΨとDは夫々Q2、マグネツトを使用
しない(すなわちf2→∞)時の焦点線の主軌道に
対する傾角と分散であり、Ψ1はQ2マグネツト面
の主軌道に対する傾角である。又ΔΨ0、ΔΨ1
ΔΨ、Δb1、Δf2は夫々Ψ0、Ψ1、Ψ、b1、f2の変
化量である。
CotΨ 0 =D 0 /DCotΨ+(D/D 0 −D 0 /D)CotΨ 1 −b 1 2
/D 0 f 2 …(9) ΔΨ 0 = sin 2 Ψ 0 [D 0 /Dsin -2 Ψ・ΔΨ+(D/D
0 −D 0 /D) sin -2 Ψ 1・ΔΨ 1 +b 1 /f 2 {(1+D 2 /D 0 2 )CotΨ 1 −CotΨ} (
Δb 1 /b 1 −Δf 2 /f 2 ) +b 1 /D 0 f 2 (2−Db 1 /D 0 f 2 )Δb 1 −1/D 0 (b
1 / f 2 ) 2 (1-Db 1 /D 0 f 2 )Δf 2 ]...(10) Here, Ψ and D are respectively Q 2 and the focal line when no magnet is used (i.e., f 2 →∞) Ψ 1 is the inclination of the Q 2 magnetic surface with respect to the main orbit. Also ΔΨ 0 , ΔΨ 1 ,
ΔΨ, Δb 1 , and Δf 2 are the amounts of change in Ψ 0 , Ψ 1 , Ψ, b 1 , and f 2 , respectively.

また、実施例では、中間像I0′が第1及び第2
の双極マグネツトD1及びD2間の自由空間に位置
付けられているが、本発明は何等これに限定され
るものではない。
Further, in the embodiment, the intermediate image I 0 ' is the first and second
The present invention is not limited thereto in any way.

以上はQ1マグネツトによるスペクトログラフ
全系の1次分解能可変とQ2マグネツトによる分
散可変すなわち全系の実効分解能を可変とする議
論であつたが、多極マグネツトMPの4極場成分
のようにD1入口とD2出口の間に置かれた4極マ
グネツトはQ1,Q2両4極マグネツトの夫々の機
能の中間的機能を持ち、スペクトログラフ全系の
分解能、分散共ゆるやかに変えることができる。
従つて、中道的使用法としてQ1,Q2両4極マグ
ネツトのかわりにD1,D2マグネツトのような分
散系の中間に設置した4極磁場を積極的に利用す
る方法も考えられる。更に、自由空間又は第2の
双極マグネツトD2の直後に、高次集束用の多極
マグネツトを配置し、中間面内の中間面内の軌道
の偏向角、1次集束、2次集束等を制御すること
もできる。このような多極マグネツトとしては、
磁場の双極成分、4極成分等をそれぞれ独立に発
生させることができる特開昭53−42550号公報に
記載された電流シートマグネツトが好適である。
本発明は磁場に加えて、電場を併用したスペクト
ログラフにも適用できることは云うまでもない。
また、双極マグネツトが1個の場合にも適用でき
る。
The above discussion was about varying the primary resolution of the entire spectrograph system using the Q 1 magnet and varying the dispersion, that is, the effective resolution of the entire system, using the Q 2 magnet. The quadrupole magnet placed between the D 1 inlet and D 2 outlet has an intermediate function between the functions of both the Q 1 and Q 2 quadrupole magnets, and can gently change the resolution and dispersion of the entire spectrograph system. Can be done.
Therefore, as a middle-ground method of use, instead of both Q 1 and Q 2 quadrupole magnets, it is also possible to actively utilize a quadrupole magnetic field placed in the middle of a dispersed system such as D 1 and D 2 magnets. . Furthermore, a multipole magnet for high-order focusing is placed in free space or immediately after the second dipole magnet D2 , and the deflection angle of the trajectory in the intermediate plane, primary focusing, secondary focusing, etc. It can also be controlled. As such a multipolar magnet,
The current sheet magnet described in JP-A-53-42550, which is capable of independently generating dipole components, quadrupole components, etc. of a magnetic field, is suitable.
It goes without saying that the present invention can also be applied to a spectrograph that uses an electric field in addition to a magnetic field.
Moreover, it can also be applied to a case where there is only one bipolar magnet.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の比較対象となる荷電粒子スペ
クトログラフを中間面側からみた時の平面図、第
2図は第1図のスペクトログラフを垂直面に沿つ
て断面した断面図、第3図は本発明の一実施例に
係る荷電粒子スペクトログラフの第1図と同様な
平面図、及び第4図は第3図のスペクトログラフ
の断面図である。 記号の説明、D1,D2:第1、第2の双極マグ
ネツト、Q1,Q2:第1、第2の4極マグネツト。
Fig. 1 is a plan view of a charged particle spectrograph to be compared with the present invention as seen from the intermediate plane side, Fig. 2 is a sectional view of the spectrograph of Fig. 1 taken along a vertical plane, and Fig. 3 1 is a plan view similar to FIG. 1 of a charged particle spectrograph according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a cross-sectional view of the spectrograph of FIG. 3. Explanation of symbols: D 1 , D 2 : first and second dipole magnets, Q 1 , Q 2 : first and second quadrupole magnets.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 予め定められた主軌道を含む荷電粒子軌道に
沿つて固定配置された主磁場要素と、該主磁場要
素の立体集束性、分解能、分散を改善するため
に、前記荷電粒子軌道上に配置された補助磁場要
素とを備え、前記主磁場要素と前記補助磁場要素
とにより、荷電粒子光学系を構成し、該荷電粒子
光学系に入射する荷電粒子をその運動量又はエネ
ルギーに応じた位置に焦点線の形で結像させて、
前記荷電粒子の分析を行なう荷電粒子分析装置で
あつて、前記補助磁場要素は4極磁場要素からな
り、該4極磁場要素の前記主磁場要素に対する設
置位置及び前記4極磁場要素の前記主軌道に対す
る設置角度を変化させるための手段を備え、前記
4極磁場要素の駆動により、前記荷電粒子光学系
の分解能及び分散のいずれか一方または両方共変
化させることができることを特徴とする荷電粒子
分析装置。
1 A main magnetic field element fixedly arranged along a charged particle trajectory including a predetermined main trajectory, and a main magnetic field element fixedly arranged along the charged particle trajectory to improve the three-dimensional focusing, resolution, and dispersion of the main magnetic field element. The main magnetic field element and the auxiliary magnetic field element constitute a charged particle optical system, and the charged particle optical system directs the charged particles incident on the charged particle optical system to a focal line at a position according to their momentum or energy. Form an image in the form of
In the charged particle analyzer for analyzing the charged particles, the auxiliary magnetic field element is composed of a quadrupole magnetic field element, and the installation position of the quadrupole magnetic field element with respect to the main magnetic field element and the main orbit of the quadrupole magnetic field element are A charged particle analyzer comprising: means for changing the installation angle of the charged particle optical system; and one or both of the resolution and dispersion of the charged particle optical system can be changed by driving the quadrupole magnetic field element. .
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