JPH0121585B2 - - Google Patents

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。

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。

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。

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P_pの比P_p／ΔPで定義される。この１
次分解能はＤ（Mx_p）^-1と書きあらわすことが出来
る。ここでＤは運動量がP_p＋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／P_pで定義され
る運動量分散のことである。又、Ｍは像倍率、x_p
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x_d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（Mx_p
＋x_d＋x_h）^-1と表わすことが出来る。ここで、x_h
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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

以下図面を参照して説明する。

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S_p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S_p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r_pとしてい
るが、一般には異なつていても差支えない。

通常、第１、第２の双極マグネツトD₁，D₂の
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＝−r_p／tanα₁、−f₂₀＝−r_p／
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＝＋r_p／tanα₁、＋f₂₀＝r_p／tanα₂の凸レン
ズに相 当する集束作用を受ける。

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S_pから放出される粒子のうち、標準
粒子運動量P_p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P_p＋ΔP及びP_p−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P_p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の
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に
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。

Ｒ＝（Mx_pθ_p）^-1∫^T _pxd …(1) Ｄ＝θ_p ^-1∫^T _pxd …(2) ここに、θ_p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／x_p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。

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S_p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S_p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。

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S_p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S_p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。

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。

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。

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S_p
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。

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出
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。

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。

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の
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。

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。

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／f₂）²（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。

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。

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。

【図面の簡単な説明】

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。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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。