JPH0634400B2 - 中性の原子および分子ビ−ムの発生方法と装置 - Google Patents

中性の原子および分子ビ−ムの発生方法と装置

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JPH0634400B2
JPH0634400B2 JP62040497A JP4049787A JPH0634400B2 JP H0634400 B2 JPH0634400 B2 JP H0634400B2 JP 62040497 A JP62040497 A JP 62040497A JP 4049787 A JP4049787 A JP 4049787A JP H0634400 B2 JPH0634400 B2 JP H0634400B2
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    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—HANDLING OF PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • G21K1/14—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using charge exchange devices, e.g. for neutralising or changing the sign of the electrical charges of beams

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は原子および分子ビームに関し、特に制御自在
の、低エネルギーの中性原子および分子のビームを発生
する方法および装置に関する。
背景技術 低地球軌道の宇宙船および衛星の使用が増すにつれて、
露出表面の著しい浸食に証明されるように、そのような
軌道での残留大気に伴う問題が表面化した。 300〜500k
m の低地球軌道の領域における環境は主として酸素原子
である。この高度における原子は数少ないけれども、軌
道上のペイロードが高速であることおよび酸素原子の反
応性が高いことが多くの有機性表面物質をはやく劣化さ
せる。炭素、水素、酸素、窒素および硫黄を含む有機重
合体に対する浸食は最もはげしい。そのことは下記の文
献に記載されている： 1985年１月14〜17日ネバタ州リノ市、AIAA第23回航空
宇宙科学集会会報AIAA-85-0476L. J. レガー(Leger)J.
T. ヴィセンチン(Visentine)およびJ.A.シュリージング
(Schliesing)の「宇宙ステーションに対する酸素原子の
影響の一考案(A consideration of atomic oxygen inte
raction with spac station)」 1985年１月14〜17日ネバタ州リノ市、AIAA第23回航空
宇宙科学集会会報AIAA-85-0416,A. F. ウィテカー(Whit
aker)，S.A.リ ト ル(Little)，R.J.ハーウェル(Harw
ell),D.B.グライナー(Griner)R.F.デヘイ(Dehaye)およ
びA.T.フロムホルド(Fromhold)の「熱制御物質および光
学物質に対する軌道上の酸素の影響--STS-8 の成果(Orb
ital atomic oxygen effects on thermal control and
optical mterials--STS-8 resu-lts)」 宇宙ステーションおよび他の宇宙飛行体の設計をする場
合、部品の有効寿命を予測し得なければならない。過去
では、物質を低地球軌道でむき出しにし、分析のために
該物質を回収することにより種々の物質の調査が行われ
た。この方法は時間と費用がかかり過ぎ、またそのよう
な試験の機会も限られている。よって実験室で低地球軌
道環境をシミュレート（模擬）し得ることが大いに望ま
しい。
前記のように、この環境の顕著な成分は酸素分子の光分
解によって形成される酸素原子である。10７〜10９atom
／cm３の密度での酸素原子は熱エネルギーを有するのみ
である。しかし８km/sの速度で飛行する宇宙船は平均原
子エネルギー５eVを有する1013〜1015atom／cm２ｓのフ
ラックス（原子束）に遭遇する。材料表面はまたその向
きによりＵＶ（紫外線）放射を受け、また高度により窒
素ガスの分子のフラックスを受けることがある。理想的
には、実験室試験で酸素原子、窒素分子およびＵＶ光子
を別個でも、また種々の組合せでも試料に入射し得るこ
とであろう。しかし、大きな問題は、前記の幾つかの要
因のうち最も破壊性が強いと見なされる酸素原子のフラ
ックスを実験室内で発生させることである。
酸素原子のフラックスを従来技術の実験室で容易に発生
し得なかった理由は様々であって、酸素原子は再結合に
対して不安定である；望ましいフラックスが比較的高
い；中性ビームは操作し難い；そして５eVのイオンは集
中および速度選択を容易に行うにはエネルギーが低過ぎ
るが、熱的に発生させるにはエネルギーが高過ぎる；等
である。1985年１月14〜17日ネバタ州リノ市、AIAA第23
回航空宇宙科学集会会報AIAA-85-0473 J.B. クロス(Cro
ss)およびD.A.クリーマーズ(Cremers)の「酸素原子の表
面作用--地上施設を用いる機械学的研究(Atomic oxygen
surface interaction--mechanistic study using grou
nd-based facilities)」参照。
低地球軌道の環境のシミュレーションを可能にするため
に、実験室において制御された酸素原子の低エネルギー
・ビームを発生させる方法が必要とされる。
発明の開示 本発明は純粋に中性の酸素ビームを発生させる方法およ
び装置を与える。コラトロン(Colutron)イオン・ガンは
Ｏ２ ＋およびＯ＋を含むイオン化酸素原子のビームを発
生する。イオンは静電式加速機により加速され、ウィー
ン(Wien)フィルターに通されて所要速度の原子および分
子の種（スピーシーズ）が選択される。
流れは３KeV の位数の比較的高いエネルギー・レベルに
ある。フィルターに通されたビームは減速機に通されて
エネルギーが５〜10eVのレベルまで落とされる。ビーム
がグレージング入射角(grazing incidence)、つまり、
表面をかすめるような小さな角度で、代表的には１〜４
゜の範囲で表面に衝突するように、低速ビームの進路に
平らな、または僅かに曲がった表面が置かれる。この表
面は金属、金属酸化物または半導体物質であることがで
きる。望ましい物質の一つは高度に研磨された結晶ニッ
ケルである。
表面に衝突する時、電子を原子および分子に付与してビ
ームの部分的中性化を生じる電子作用が起きる。中性化
表面から出るビームは従って、イオン化された原子およ
び分子と同時に中性の原子および分子を含む。次のこの
ビームは静電式偏向装置に通されて、残留イオンを分離
され、中性ビームが残される。試験されるべき試料は中
性ビームが試料に衝突するように置かれる。
試料から放出される物質の分析は数多くの方法で行うこ
とができる。例えば、試料に向けられるレーザーを同期
させて個々の原子および分子の種の共振ラインを励起す
ることができる。つぎに分光計によって特性ライン放射
線から反応物質および生成物質を識別することができ
る。
従って、中性気体原子および分子のビームを発生し制御
するための方法および装置を与えることが本発明の主目
的である。
中性原子ビームの衝突により物質の調整された試験また
は物質の処理を可能にするための方法および装置を与え
ることが本発明のいま一つの目的である。
ビーム内の陽イオンを中性化するための電子を供給する
表面にクレージング入射角で衝突するように、加速さ
れ、濾過され、集中され、制御されることができる気体
原子および分子から成るイオン・ビームを用いる方法お
よび装置を与えることが本発明のさらにいま一つの目的
である。
残りのイオン原子および分子を分離除去して純粋に中性
の原子および分子のビームを発生するために、静電式偏
向装置（デフレクター）に中性ビームを通すための装置
を与えることが本発明のいま一つの目的である。
添付図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読むことによ
って上記および他の本発明の目的および利点が明らかと
なるであろう。
発明を実施するための最良の形態 本発明は所要気体の非イオン化、つまり中性の原子およ
び分子のビームを形成し、集中し、制御することを可能
にする。明らかに、すべてのイオン化可能の気体が本発
明の実施に適している。記載および図解の目的のため
に、低地球軌道の宇宙船に使用される物質の試験に特に
適用される酸素をこのようなビームに使用することが記
載される。
酸素ような気体のイオン化ビームを発生させ、制御する
ことは公知である。第１図において、主として正荷電し
た酸素原子および正荷電した酸素分子から成る陽イオン
化ビーム(6) が示される。ビーム(6) はグレージング角
度θで板(5) の表面に衝突するように板(5) に向けられ
る。本発明は角度θが非常に小さい時に最も効率的に動
作する。例えば、１〜４゜の角度が高効率の動作を与え
ることが判明した。角度θが大きくなるにつれて、本発
明は依然として有効であるが効率に下る。イオン化ビー
ム(6) が板(5) の表面に衝突する時、電子的作用が生じ
て、その結果、表面からの電子が酸素イオンに付着し、
中性の酸素原子および分子を発生する。ビームは角度θ
にて反射されて、中性酸素原子、中性酸素分子、および
中性化しない残りのイオンから成るであろう。
明らかに、板(5) は秀れた光放射性を有する材料から形
成することが望ましく、表面に大密度の準自由電子を有
する。ビームの中性化の比率はグレージング角度および
入射ビームのエネルギーの関数である。よって、板(5)
の表面から向きが変えられた（偏向された）ビーム(7)
は依然、イオン化原子および分子を含むであろう。ビー
ム(7) は、イオン化粒子、例えば(10)に示される陽性酸
素原子を偏向させる１対の静電式偏向板(8) に通され
る。ビーム(9) は偏向板から出て、中性の酸素原子およ
び分子から形成される。
本発明の或る種の用途では、大きな断面を有するビーム
を発生することが望ましい。第２図に示されるように、
複数の板が設けられる中性化板装置(12)を用いることが
できる。すなわち、入射するビーム(6) は大きな断面積
を有し、そのため幅の広いビーム(7) を発生することが
できる。
第１図および第２図に示すイオン化ビーム(6) も公知の
方法により集中することができるけれども、第３図の中
性化板装置を用いて中性化ビームを或る程度、集中する
ことができる。ここで、中性化装置(14)は、入射するビ
ーム(6) に対しその角度を矢印Ａにより個別に調整し得
る複数の板(15)から形成される。例えば、第３図におい
て、中性化ビーム(11)を収斂させるように種々の角度に
板(15)を調整する。また気付くであろうが、この収斂は
使用個所におけるビームの密度を増す。その代わりに、
中性化ビーム(11)を拡散させて、低密度にてより広い面
積をおおうように表面(15)を調整することもできるであ
ろう。中性化原子および分子のビームの形状も中性化板
装置の形式により調整することができる。例えば、第４
図は第２図の平面 4-4における形態であるが、これは断
面積の大きなイオン化ビームが中性化板(12)に向けられ
る時に、中性原子および分子の矩形ビームを生じる。第
５図に１組の円筒形中性化板(16)を示すが、これはそれ
に向けられた断面積の大きいイオン・ビームを円形の中
性ビームに変換する。第５図の円筒も、収斂または拡散
する中性ビームを生じるように相互に角度を付けて設定
することができる。
以上で中性気体ビーム、例えば酸素原子および分子の中
性ビームを発生する方法を記載したが、次に第６図の説
明図を参照しつつ、そのようなビームを発生するための
望ましい装置を記載する。
10-10torrの位数での超真空度を有する真空チャンバー
(20)が設けられる。コラトロン・ガン(30)をイオン化ガ
ス・ビームの発生源として用いられる。ガン(30)はコラ
トロン・コーポレーション(Colutron Corporation)から
入手し得る。本例において、酸素ビームを発生するべ
く、酸素ガス源(22)がガン(30)に設けられる。酸素がガ
ン(30)の加熱された元素に対して有する高い反応性によ
る損傷を防ぐために、公知のようにヘリウム(23)も導入
する。ガン(30)からビーム(17)が放射され、このビーム
は正電荷酸素原子および分子イオンに、ヘリウム原子お
よび存在が避けられない様々な汚染物が混合して構成さ
れる。ビーム(17)は加速機(18)に通され、これはビーム
(17)のエネルギーを、例えば３KeV にまで増す。加速機
(18)からの出力は加速されたビーム(19)であり、これは
次にウィーン・フィルター(33)に通される。当業者にと
って公知のように、特定の運動エネルギーおよび速度を
有する酸素イオン（または分子イオン）を選別して通過
させ、異なる速度を有するヘリウム・イオンおよび不純
物イオンを排除するようにウィーン・フィルター(33)を
調整することができる。加速機(18)の目的はビーム(17)
を充分な速度にまで上げてこれらの無縁のビーム部分ウ
ィーン・フィルター(33)により排除させることにある。
よって、フィルター(33)から出るビーム(21)は各々が正
電荷を有する実質的な酸素イオン（または分子イオン）
である。
低地球軌道の環境において遭遇する諸問題のシミュレー
ションによって物質(32)を試験する目的のために、運動
エネルギーは５eVの位数にあることが要求される。従っ
てビーム(21)が所要のエネルギー範囲に入るようにビー
ム(21)の速度を減じるために減速機(35)が設けられる。
ビームのフラックスを測定するために、減速機(35)の後
にボロメータまたはファラデー(Faraday)のカップ・セ
ンサー(24)を据付けることができる。
場合により、薄くて幅の広いビームが必要である。その
ような場合、所要のグレージング角度にて中性化装置(2
8)に衝突する薄くて幅の広いビーム(25)を発生するため
に、薄い水平のスリット（すきま）を有する板(26)を使
用することができる。前述のように、イオン化ビーム(2
5)は板(28)の表面から電子をひろって、それにより酸素
の原子および分子の一部を中性化する。従って板(28)か
ら偏向されたビーム(27)は、中性化された酸素原子およ
び分子に、残りの陽イオンおよび表面(28)からひろわれ
る可能性のある陰粒子を加えて構成される。ビーム(27)
は静電式偏向板(31)に通され、残りのイオン化粒子を分
離・排除して、中性酸素原子および分子から成るビーム
(29)を発生する。
本発明の一実施例では、中性化板(28)は、他の材料でも
適当であるが、高度に研磨された結晶ニッケルで形成し
た。
中性ビーム(29)は、試験された分析されるべき試料(32)
に衝突させられる。これは試料(32)の表面上の物質の浸
食を生じ、衝突しまた放出される物質(40)が分析され
る。
未だ充分には理解されない現象が見られた。中性ビーム
(29)に衝突され表面物質から光が放出され、ビーム(29)
の特性はこの光を分析して得られるであろう。衝突の区
域および射出される物質(40)を照明するためにレーザー
(34)が試料分析に用いられ、これが蛍光を誘起する。つ
ぎにその区域に焦点を合わせた分光計(36)が種々の反応
物質および生成物質を、励起された特性ライン放射から
識別することができる。
第６図に説明的に図解される装置による代表的な結果は
以下の通りである。２μＡまでの等価電流を有し、１mm
２の面積に集中された中性酸素ビームが得られた。これ
は低地球軌道におけるフラックスの大きさの位数にある
1015atoms/cm２secのフラックスに相当する。
人口衛星および宇宙船に用いられる物質の試験では、比
較的大きな面積にわたってフラックスが入射する必要が
ある。大きな断面積を有する中性ビームを発生させ、こ
のビームを、第２図乃至第５図に開示する方法により拡
散させるように第６図の装置を改造することは当業者に
とって明らかである。中性の酸素および窒素のビームと
同様の電子および光子を発生する多重放射源を用いて材
料を試験することも望ましい。
そのような多重放射源の相乗効果の研究を可能にする試
料(32)に対して多重放射線環境を生じる装置の実例を第
７図に示す。この図面では、真空チャンバー(20)は物質
(32)の酸素ビーム(29)の区域内で、紫外線放射(45)を生
じるＵＶ源と窒素(43)のビームを発生し得る窒素粒子源
(142)を含む。他の組合せの多重放射源も当業者によっ
て考えられる。
以上で非イオン化気体原子および分子のビームを発生す
る方法を開示したわけであるが、その方法は、 １ 正電荷気体原子および分子のビームを発生するこ
と、 ２ 電子作用を生ずる物質から形成される表面にグレー
ジング角度でビームを送って、電子がビームを部分的に
中性化するように電子がビームに付与されること、 ３ その部分的に中性化されたビームを前記表面から偏
向させること、 ４ 偏向されたビームから残りのイオン化原子および分
子を除去することを含む。
物質の試験のために本発明の方法および装置を使用する
ことを以上に述べた。他の用途も当業者には明らかであ
ろう。例えば、本方法は半導体工業におけるような重粒
子エッチングに適したビームを発生することができる。
エッチングにイオン化ビームを使用する時、集積回路チ
ップにマスクその他の操作を行う際に問題が生じる。中
性ビームを使用すれば、空間荷電によるビームの焦点ぼ
けが無くなり、半導体物質の荷電を防止できる。
以上特定の装置を説明したけれども、本発明がここに開
示した実施例に限定されるべきでないことは当然であ
る。当業者にとって本発明を種々改造し得ることは明ら
かであり、そのような変更は本発明の精神と範囲に含ま
れるものである。
【図面の簡単な説明】
第１図は、陽イオン化酸素ビームを中性化するために本
発明による表面に衝突する酸素ビームの説明図、 第２図は大きな断面積を有するイオン化ビームと共に使
用される多重表面の使用を示す説明図、 第３図は断面積および中性化ビームの密度を制御するよ
うに表面の角度が調整自在である表面装置の、第２図に
似た説明図、 第４図は第２図の 4-4平面から見た前記表面の端面図、 第５図は円形ビームを発生するために円筒表面を用いる
代替多重表面装置、 第６図は中性気体原子および分子のビームを発生し制御
するための装置の望ましい実施例の説明図、 第７図は物質を試験するために多重放射線環境を生じる
装置の説明図である。 5……板（表面）、 6……陽イオン・ビーム 7……偏向ビーム、 8……静電式偏向板 9……ビーム、10……陽性酸素原子 11……中性化ビーム 12……中性化板装置（平行板） 14……中性化板装置、15……板 16……円筒形中性化板（円筒状表面） 17……陽イオン・ビーム、18……加速装置 19……加速ビーム、20……真空チャンバー 21……口過ビーム、22,23……気体 24……ボロメーター又はファラデーカップセンサー 25……イオン化ビーム、26……板 27……部分中性化ビーム 28……中性化板装置（導電性表面） 29……中性ビーム、30……イオン・ガン 31……静電式偏向装置、32……分析すべき物質 33……フィルター装置、34……レーザー 35……減速装置、36……分光計 40……放出物質、42……窒素粒子源 43……窒素ビーム、44……UV源 45……UV放射
フロントページの続き (72)発明者 ノーマン・エイチ・トーク アメリカ合衆国テネシー州ブレントウッ ド、アポマトックス・ドライブ 314 (56)参考文献 特開 昭61−183898（ＪＰ，Ａ)

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】選ばれた気体の非イオン化原子および分子
    のビームを発生する方法であって、 a) 前記ビームの中の不純気体物質を有する、前記気体
    の正荷電された原子および分子のビーム(17)を発生する
    段階と、 b) 前記ビームを加速する段階と、 c) 前記不純気体物質を除去するために前記加速された
    ビーム(17)を濾過する段階と、 d) 前記濾過されたビーム(21)を所定のエネルギーにま
    で減速する段階と、 e) 導電性物質の表面(28)を与える段階と、 f) 前記ビームに電子を付与することによって前記ビー
    ムの前記正荷電された原子および分子の少なくとも一部
    を中性化する電子作用を前記表面において生じさせるた
    めに或る角度で前記表面に前記減速されたビーム(23)を
    指向させる段階と、 g) 前記部分的に中性化されたビーム(27)を前記表面か
    ら偏向させる段階と、 h) 荷電状態の原子および分子を前記部分的に中性化さ
    れたビームから除去する段階と、 を有することを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】前記導電性物質が金属である、特許請求の
    範囲第(1)項に記載の方法。
  3. 【請求項３】前記導電性物質が半導体である、特許請求
    の範囲第(1)項に記載の方法。
  4. 【請求項４】前記導電性物質がニッケルである、特許請
    求の範囲第(1)項に記載の方法。
  5. 【請求項５】前記段階(f)の前記角度がグレージング(gr
    azing)角度である、特許請求の範囲第(1)項に記載の方
    法。
  6. 【請求項６】前記段階(h)が静電式偏向板（デフレクタ
    ー）(31)を通して前記部分的に中性化されたビームを指
    向させる段階を含む、特許請求の範囲第(1)項に記載の
    方法。
  7. 【請求項７】低地球軌道における酸素原子が物質に与え
    る浸蝕効果を分析するための方法であって、 a) 正荷電された酸素原子のビーム(17)を発生する段階
    と、 b) 低地球軌道にある物体に衝突する酸素原子の速度を
    シュミレート（模擬）するために前記ビームのエネルギ
    ーを制御する段階と、 c) 前記ビームに電子を付与することにより前記正荷電
    された酸素原子のビームを部分的に中性化する電子作用
    を生ずるために或る角度で前記制御されたエネルギーの
    ビーム(25)を導電性表面(28)に指向させる段階と、 d) 酸素原子の中性ビーム(29)を発生するために、前記
    部分的に中性化されたビーム(27)から荷電状態の原子を
    除去する段階と、 e) 分析すべき物質(32)に前記中性ビームを衝突させる
    段階と、 f) 前記衝突により浸蝕された前記物質の部分(40)を分
    析する段階と、 を含む方法。
  8. 【請求項８】中性の気体原子および分子のビームを発生
    する装置であって、 真空チャンバー(20)と、 選ばれた気体(22,23)の供給源と、 正荷電された気体イオンのビーム(17)を発生して前記チ
    ャンバー内に注入するために前記気体供給源に接続され
    たイオン・ガン(30)と、 前記ビームのエネルギーを制御するための装置(18,35)
    と、 板の表面に自由電子を発生させるべくある角度で該板の
    表面に前記ビームを衝突させて前記陽気体イオンの一部
    を中性化し、部分的に中性化されたビーム(27)を該板の
    表面から偏向させるように、前記陽気体イオンのビーム
    の進路に配設される少なくとも１個の板を有する中性化
    板装置(28)と、 イオン化状態の原子を分離することにより、制御された
    エネルギーを有する気体原子および分子の中性ビーム(2
    9)を発生するために、前記偏向された部分的に中性化さ
    れたビームの進路に配設された静電式偏向装置(31)と、 を含む装置。
  9. 【請求項９】前記ビームのエネルギーを制御する装置
    が、前記ビームを加速するための加速装置(18)と、 前記ビームから望ましくない不純イオンを除去するため
    のフィルター装置(33)と、 前記ビームの所定のエネルギーを生じるための減速装置
    (35)と、 を含んでいる、特許請求の範囲第(8)項に記載の装置。
  10. 【請求項１０】前記フィルター装置がウィーン(Wien)フ
    ィルターを含む、特許請求の範囲第(9)項に記載の装
    置。
  11. 【請求項１１】前記中性化板装置が、前記ビームの広い
    断面積を部分的に中性化するために、複数の平行表面を
    構成する複数の平行な板(12)を含んでいる、特許請求の
    範囲第(8)項に記載の装置。
  12. 【請求項１２】前記中性化板装置が、前記陽気体イオン
    に異なる角度を与えるように配置された１組の表面を有
    する複数の板(15)を含み、これにより、前記部分的に中
    性化されたビームが前記板によって向きが変えられて収
    束される、特許請求の範囲第(9)項に記載の装置。
  13. 【請求項１３】前記中性化板装置が、前記陽気体イオン
    に異なる角度を与えるように配置される１組の表面を有
    する複数の板を含み、これにより、前記部分的に中性化
    されたビームが前記板によって向きが変えられて拡散さ
    れる、特許請求の範囲第(10)項に記載の装置。
  14. 【請求項１４】前記中性化装置が複数の平板を含み、各
    平板(15)により前記ビームに与えられる角度を独立に調
    整し得るように個別に該各板が枢動自在となっている、
    特許請求の範囲第(9)項に記載の装置。
  15. 【請求項１５】前記中性化板装置が、前記部分的に中性
    化されたビームを実質的に円筒状にするように配置され
    る複数の同心の円筒状表面(16)を含む、特許請求の範囲
    第(9)項に記載の装置。
JP62040497A 1986-03-19 1987-02-25 中性の原子および分子ビ−ムの発生方法と装置 Expired - Lifetime JPH0634400B2 (ja)

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