JPH0896745A - 低速多価イオンによる超高感度水素検出法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 多価低速イオンを用いることにより、標的表
面への損傷を著しく減少でき、きわめて高効率かつコン
パクトな固体表面水素の定量分析を実現する。 【構成】 運動エネルギーよりもポテンシャルエネルギ
ーの方が大きい低速多価イオンを発生するＥＢＩＳ型低
速多価イオン源１１と、ＥＸＢ質量分析器１３と、ビー
ム１２を矩形波に変換するデフレクタ１４と、アパーチ
ャ１５、レンズ１６、２次イオン検出器をもつ加速器１
８と、これに設けたメッシュ状標的１９と、２次電子増
倍管２０とを順次配列し、標的に低速多価イオンが衝突
する際に生ずる２次イオンを２次イオン検出器に向けて
加速して検出すると同時に、２次電子を標的に向って追
い返してこれを２次電子倍増管で検出し、２次イオンの
２次イオン検出器における検出時刻と２次電子倍増管に
おける２次電子検出時刻との差を検出する手段を具備
し、これにより固体表面水素の定量分析をする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子ビームイオン源
（ＥＢＩＳ）あるいはＥＣＲイオン源（ＥＣＲＩＳ）と
いった多価イオンを効率的に生成できるイオン源からの
多価低速イオンを用いることにより、標的表面への損傷
を著しく減少でき、きわめて高効率かつコンパクトな固
体表面水素の定量分析を実現する低速多価イオンによる
超高感度水素検出法を提供しようとするものである。

【０００２】

【従来の技術】固体表面及び固体中の水素分析・定量は
従来の方法では非常に困難であった。固体表面又は固体
中の水素検出、特に表面上の水素検出としては、Ｎとの
共鳴核反応を用いた方法をあげることができる。この場
合の深さ分解能は加速器のエネルギー分解能に強く依存
するが、数原子層程度である。

【０００３】共鳴核反応では、数ＭｅＶに加速したＮが
必要でプローブとなる現象が核反応であるため、検出効
率は非常に低く、測定に数時間を要する。また当然なが
ら中型の加速器を必要とする。

【０００４】従来の測定法の概略を図１に示す。 図１
において、１は負イオン源を示し、負イオン源１より放
射された負イオンをタンデム加速器２で加速し、分析マ
グネト３で偏向して、この負イオンを実験用真空槽４に
セツトした標的５に当て、標的５より放出されるγ線を
核反応モニター用γ線検出器６で検出するものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のように従来の表
面水素分析法は大がかりであり、しかも、検出効率の低
いものであった。また、従来法では負イオンを加速して
表面に当て、標的より放出されるγ線を核反応モニター
用γ線検出器で検出するものであるため標的表面の損傷
が大きい欠点があった。

【０００６】また水素より重い例えばＬｉ以上の原子の
表面上のふるまいは、表面付近に特に高いセンシティビ
ティをもつオージェ電子分光により従来から行なわれて
きた。しかしながら、水素はオージェ電子を放出せず、
これまでの表面分析法での盲点となっていた。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上述の従来法の
欠点を解決するために、電子ビームイオン源（ＥＢＩ
Ｓ）あるいはＥＣＲイオン源（ＥＣＲＩＳ）といった多
価イオンを効率的に生成できるイオン源からの低速多価
イオンを用いることにより、固体表面水素の定量分析を
極めて高効率かつコンパクトな方法で実現を可能とする
ことを知見したものである。

【０００８】本発明は、運動エネルギーよりもポテンシ
ャルエネルギーの方が大きい低速多価イオンを発生する
ＥＢＩＳ型低速多価イオン源と、ＥＸＢ質量分析器と、
ビームを矩形波に変換するためのデフレクターと、アパ
ーチャとレンズ及び２次イオン検出器をもった加速器
と、加速器に設けたメッシュ状標的と、２次電子増倍管
とを前記イオン源からのイオンを輸送するビームライン
上に順次配列し、前記標的に低速多価イオンが衝突する
際に発せられる２次イオンを２次イオン検出器に向けて
加速して検出すると同時に２次電子を標的のメッシュに
向って追い返してこれを２次電子倍増管で検出し２次イ
オンの２次イオン検出器における検出時刻と、２次電子
倍増管における２次電子検出時刻との差を検出する手段
を具備し、これにより固体表面水素の定量分析をするこ
とを特徴とする低速多価イオンによる超高感度水素検出
法にある。

【０００９】本発明に使用するＥＢＩＳ型多価イオン源
は、電子銃と、ドリフトチューブ、ドリフトチューブを
取巻くソレノイドコイルと、ソレノイドコイルを包囲す
る磁鉄心と、ドリフトチューブの外側に設けた電子コレ
クターとより成り、ドリフトチューブの入口側及び出口
側をμ−メタル及び軟鉄パイプで磁気遮蔽し、ドリフト
チューブの軸方向に強力な磁場を発生させて電子ビーム
を高密度にするよう構成したものより成る。

【００１０】本発明は低速多価イオンによる超高感度の
水素検出法であって、そのための検出器は 低速多価イオン源〔電子ビーム型（ＥＢＩＳ）、Ｅ
ＣＲ型（ＥＣＲＩＳ）その他低速の多価イオンを供給で
きるイオン源〕 イオン源からのイオンを輸送するビームライン 分析されるべき試料を入れる超高真空槽 表面から解離された水素を検出する質量分析器 からなる。

【００１１】イオン源からのイオンを輸送するビームラ
インは図２に示すように、ＥＢＩＳ型イオン源11からの
イオンビームの輸送系12上にＥＸＢ質量分析器13及びデ
フレクタ14、アパーチャ15、レンズ16、ミクロチャンネ
ルプレート（ＭＣＰ：１次イオン検出器）17、加速器1
8、標的19及び２次電子増幅器20を順次配列する。14Ａ
はデフレクタ14に交流をかけてイオンビームをパルス化
するための交流発振器である。これらり低速多価イオン
11、ＥＸＢ質量分析器13、デフレクタ14、アパーチャ1
5、レンズ16、加速器18、２次電子倍増管20は超高真空
系（図示せず）中に設ける。

【００１２】図２において、標的19は銅メッシュを用い
た例を示したが炭素材料でもよく、水素を含有する固体
材料であればよい。

【００１３】図３は本発明の実験に使用したＥＢＩＳ
（エレクトロン・ビーム・イオン・ソース）型低速多価
イオン源の詳細図である。図３において、21は超高真空
容器を示し、この超高真空容器21の一方に陰極22、陽極
23よりなる電子銃24を軟鉄チューブ25及び入口側μ−メ
タル26Ａで磁場より遮蔽して、電子銃より放射された電
子ビーム27をソレノイドコイル29及び磁鉄心30により包
囲されたドリフトチューブ28を通過し、出口側μ−メタ
ル26Ｂを経て電子コレクター31で電子を補集するように
なっている。32は電子コレクター31の後に接続したイオ
ンレンズ系である。33は電子コレクター31を冷却する液
体窒素冷却器である。

【００１４】図４は図３のＥＢＩＳ装置の正面から見た
断面図であり、34は液体窒素冷却器32に設けたバルブを
示し、図３と同一符号で示した個所は同一構成部分を示
す。ターボ分子ポンプ33は300 Ｌ／ｓｅｃで吸引して超
高真空とする。

【００１５】図５は図３のＥＢＩＳの原理説明用概略図
である。図５において、電子銃24は陰極22、陽極23より
成り、この電子銃24は入口側軟鉄パイプ25Ａとμ−メタ
ル26Ａとで磁場より遮蔽してあり、電子銃24より放射さ
れた電子ビーム27はソレノイドコイル29と磁鉄心30によ
り包囲されたドリフトチューブ28を通して搬送され、出
口側μ−メタル26Ｂ及び軟鉄25Ｂの個所で磁場より遮蔽
して電子コレクター31で電子を補集するようになってい
る。

【００１６】図６Ａは本発明に使用するＥＢＩＳのソレ
ノイドの中心軸にそって測定された磁場の強さの一例を
示すＺ軸方向の磁場の断面図である。図６Ｂは図５と対
称させた本発明に使用するＥＢＩＳの各部の相対的な電
位の一例を示す特性図である。

【００１７】図７（Ａ）は、本発明に使用するＥＢＩＳ
において、電子ビームがドリフトチューブ内の通る位置
を変えた場合のドリフトチューブ断面の直径に沿った空
間電荷ポテンシャル特性図、図７（Ｂ）は電子ビームの
中にトラップされたイオンの動径方向における典型的な
軌道を示す特性図である。イオンは一様な電流密度のビ
ームの中で生成されることを仮定してある。図７
（（Ｂ）−ａ）は¹³¹ Ｘｅ⁸⁺の初期の運動エネルギーを
０、ビームエネルギー50ｋｅＶ、ビーム密度６×10¹¹ｅ
／cm² 、磁場５Ｔ、動径方向の振幅0.01cm の場合を示
し、図７（（Ｂ）−ｂ）は¹³¹ Ｘｅ¹⁺の運動エネルギー
50ｅＶ、大きな角運動量をもって生成された場合を示
し、動径方向の振幅は0.025 cm である。

【００１８】図８（Ａ），（Ｂ）は本発明のＥＢＩＳに
より求めた飛翔時間とカウントとの関係を示す特性図で
ある。

【００１９】図８はアルゴンイオンＡｒｑ⁺ のチャージ
状態とＨ⁺ イオンの収率との関係を示す特性図である。

【００２０】図９は本発明ＥＢＩＳにおいて、500 ｅＶ
のＡｒ¹²⁺ イオンのチャンネルとチャンネル／カウント
比を示す特性図である。

【００２１】以下図面について、本発明の実施の一例態
様を詳細に説明する。運動エネルギーよりもポテンシャ
ルエネルギーの方が大きな多価イオンを一般に低速多価
イオンと呼ぶ。電荷ｑの低速多価イオンが物質表面に近
づくと、表面付近から多数の電子（＞ｑ）を捕獲域（半
径Ｒ（ｑ））から取り出し、その領域を一時的に強く帯
電させる。従って、電子を奪われた標的表面上の原子は
互いのクーロン力で反発しあい、真空中へイオンとして
放出される。本発明は特に一般に検出・同定が困難であ
るとされている表面上の水素に注目し、その検出効率が
低速多価イオンで非常に大きいことを示し、低速多価イ
オンによる表面水素の全く新しい検出法を提案するもの
である。

【００２２】本発明による検出法の原理的模式図を図２
に示す。ＥＢＩＳ型イオン源11から供給される低速多価
イオンビーム12は、ＥＸＢ質量分析器13を経て、デフレ
クタ14に入り、ここに加えられる交流発振器14Ａよりの
高周波によりパルス状のビームとなり、アパーチュア15
よりレンズ16に入り、ミクロンチャンネルプレート（Ｍ
ＣＰ）17を経て加速器18を通りビーム輸送系の標的19に
衝突する。標的19はＣｕメッシュより成り、標的19では
電子を奪われ互いのクーロン反発力で放出された２次イ
オン12Ａは加速器18によりＭＣＰ17の側に誘導されＭＣ
Ｐ17で検出される。放出された２次イオンの質量電荷比
はＭＣＰ17までの飛行時間（ＴＯＦ）から決定される。
図８にはこのようにして観測されたＨ^- 強度のＡｒイオ
ンの電荷依存特性の一例を示す。測定されたすべての価
数について全運動エネルギーは50ｅＶ一定とした。これ
から、観測されたＨ^- 強度は、およそｑ⁴⁺という非常に
強い依存性をもって増大すること、及びその絶対強度
も、例えばｑ＝16では入射イオン10個につきＨ⁺¹個とい
った極めて大きいものまであることが判った。このよう
に高効率のＨ⁺ 検出は他の方法では全く実現されていな
い。

【００２３】図２の左側にＥＢＩＳイオン源11があり、
そこから供給される低速多価イオン12は、まずＥＸＢ質
量分析計13で電荷状態を選別される。次にデフレクタ14
に入り、ここでデフレクタ14にかけられた交流発振器14
Ａの振動電場のため、アパーチャ15を取り抜けたイオン
はパルス状になっており、これが、レンズ16及びＭＣＰ
17の中心にある穴を通り抜け、加速管18を経て、銅のメ
ッシュに蒸着された標的19に衝突する。多価イオンに衝
撃されれた標的19からは、２次イオン12Ａ及び、ここで
目的とする２次電子12Ｂが放出される。加速管18は２次
イオン12ＡをＭＣＰ17に向って加速すると同時に、２次
電子12Ｂを標的19のメッシュにむかって追い返すよう働
く。多価イオンは多数の２次電子12Ａを生成するが、そ
の一部の２次電子12Ｂは標的19のメッシュの隙間を通り
ぬけ、その後方にある２次電子倍増管20に至り検出され
ることになる。電子はイオンよりはるかに軽く、従っ
て、速く動き、２次電子倍増管20からの２次電子検出信
号は、ほぼ低速多価イオンが標的19にたどり着いた時刻
と一致する。ここで用いた検出系では、２次イオン12Ａ
のＭＣＰ17における検出時刻と２次電子12Ｂの２次電子
倍増管20での検出時刻の差から、２次イオン12Ａの標的
19からＭＣＰ17までの飛翔時間を測定し、それにより２
次イオンのイオン種を決定している。すなわち、２次イ
オンの飛翔時間をｔ、２次イオンの質量をｍ、電荷を
ｑ、標的19とＭＣＰ17の間の距離Ｌ、加速管18にかけら
れた電圧をＶとすると、

【数１】ｍ＝ｑＶｔ² ／２Ｌ² の関係から、２次イオンの質量が決定される。通常の測
定では、ＭＣＰ17による２次イオンの検出効率を上げる
ため、Ｖ＝２ｋＶ程度としている。Ｌは10cm以下である
かとから、例えば、放出される水素イオンの飛翔時間は
300 ｎｓ程度となる。通常、ＭＣＰ17や２次電子倍増管
20による飛翔時間測定では数ｎｓ程度の時間分解能は容
易に得られるので、ここで用いられた本発明の方法は水
素検出に充分な質量分解能を与えることが分かる。

【００２４】このようにして測定された、２次イオンの
飛翔時間スぺクトルを、500 ｅＶ、Ａｒ１２＋がＣ60を
標的とした場合について図10に示す。本来の標的からの
Ｃ⁺，Ｃ₂ ⁺ などに比べて３桁程度も強い強度でＨ⁺ が
観測されており、本発明で目的とする低速多価イオンに
よる水素検出法の効率は極めて高いことが確認された。

【００２５】

【実施例】低速多価イオンと物質の相互作用は、イオン
が大きなポテンシャルエネルギーを持つという点から注
目されている。低速多価イオンは表面に近付くと表面か
ら多数の電子を供給されて中性化する。このとき放出す
るクーロンポテンシャルエネルギーは、例えば14価のＡ
ｒイオンの場合約４ｋｅＶにも及ぶ。そのエネルギーを
物質へ与える機構は、通常のイオン照射が運動エネルギ
ーを与えるのとは全く異なっており、イオンのもつ大き
なエネルギーを表面にだけ与える。この特徴から、表面
に吸着原子が存在する場合、これを非常に効率よく解離
が予想される。この事実を確かめるために下記の実験を
行った。

【００２６】本発明者等はＥＢＩＳ型多価イオン源から
引き出した低速（0.3 ｋｅＶ）のＡｒイオン（１価〜14
価）を炭素材料Ｃ60を表面に被覆した標的に照射した。
そして解離してくる正電荷イオンを飛翔時間（ＴＯＦ）
で検出し、解離イオンの種類、電荷及び収量を測定し
た。検出された様々な炭素分子クラスターイオンの収量
は入射Ａｒイオン価数が大きくなるにつれ増加したが、
このとき表面の吸着物に起因する水素イオンの収量は、
通常の１価イオン入射の場合に比べて、多価になるに連
れ著しく増加し、収量は価数の３〜５乗に比例すること
を見いだした。

【００２７】一般に表面吸着水素の検出はオージェ電子
分光や光電子分光が使えず、これら以外の表面研究手法
を駆使して研究がなされているが、いずれも効率や定量
性がよくない。これらに比べ、本発明の実験結果は、低
速多価イオンが表面吸着水素に対する検出効率が非常に
良く、有効な手法であることの可能性を示唆しており、
定量化を含めてこれからの応用が期待される。

【００２８】本発明に使用するエレクトロン・ビーム・
イオン・ソース（ＥＢＩＳ）の原理について述べると次
の通りである。図５のようにドリフトチューブ28と呼ば
れる金属円筒管の中央に電子ビーム27を走らせると、電
子ビーム27とドリフトチューブ28間に図７（Ａ）のよう
な空間電荷ポテンシャルが発生する。この図７（Ａ）は
ドリフトチューブ断面の直径にそったポテンシャルを、
電子ビームの様々な位置に対して示してある。ドリフト
チューブ28内に導入されたガスは電子ビームによりイオ
ン化され、引力を受ける。これのポテンシャルが深けれ
ば、イオンは動径方向に束縛され、図７（Ｂ）のような
周期的な運動をする。このため、イオンは長時間にわた
って電子ビーム衝撃を受け続けることになり、

【数２】Ａ ＋ ｅ^- → Ａ⁺ ＋ ｅ^- Ａ⁺ − ｅ^- → Ａ²⁺ ＋ ２ｅ^- ・ ・ ・ Ａ^a-1+ ＋ ｅ^- → Ａ⁶⁺ ＋ ２ｅ^- のようなステップバイステップの電離により多価イオン
が生成される。イオンを深く束縛するには、中央を通る
電子ビームを高密度にしてやればよい。ソレノイドコイ
ル29によりドリフトチューブ28の軸方向に強力な磁場を
発生させて、電子ビーム27を高密度にする。図５に示す
ようにカソード22をμ−メタル26Ａや軟鉄パイプ25Ａな
どで磁場から遮蔽しておく。そうすると図６（Ａ）のよ
うに急激に磁場を立ち上がらせることができる。これ
と、カソード22とアノード23間に静電的なレンズ効果を
持たせることによって、カソード22から出た熱電子は加
速されながら急激に動径方向に圧縮される。そしてドリ
フトチューブ28内を通過した後、再びμ−メタル26Ｂ、
軟鉄パイプ25Ｂで磁場を遮蔽してやると圧縮された電子
ビームはクーロン リーパルションにより拡がり、電子
コレクター30に回収される。

【００２９】ところで、生成されたイオン図５のＺ軸方
向にはなんの束縛も受けておらず、イオン化の領域から
出ていってしまう。これを防ぐために図６（Ｂ）のよう
にドリフトチューブ両端の電位を数Ｖ〜数10Ｖ、中央よ
り高くしておくと、イオンに対してポテンシャル障壁が
形成され、イオンはドリフトチューブ28内をｚ軸に沿っ
て往復運動をすることになる。

【００３０】イオン化の進行過程でおこる、残留ガスか
らの電子捕獲や、後で説明する残留ガスイオンが空間電
荷ポテンシャルを打ち消す効果を少なくするためにイオ
ン源全体は超高真空に維持しておく必要がある。また、
電子ビームを高密度化すればするほど多価イオン化のス
テップは速く進行し、残留ガスの悪影響を軽減できる。

【００３１】生成されたイオンの引出し方には２通りあ
るが本発明では、図６Ｂに示すように、ポテンシャル障
壁を高めに設定して、イオンを一定時間完全に閉じ込め
ておいてから、出口側の電圧を短時間切るという操作を
繰り返して、イオンをパルス的に引き出すパルスモード
という方法を採用した。この方法によると長時間イオン
を閉じ込めておくので、多価イオンの強度がより大きく
なる利点がある。

【００３２】本発明に使用するＥＢＩＳ型イオン源の全
体の概略図は図３に示す。ＥＢＩＳ型の低速多価イオン
源の各部構成はすべて、直径200 mmφ、長さ500 mmの真
空チェーンバーの中に設置されており、300 Ｌ／ｓｅｃ
のターボ分子ポンプ33で排気される。

【００３３】ａ）ソレノイドコイル 超高真空を得るために真空チェーンバーを200 ℃近くで
ベイキングする必要がある。従って、コイルには0.7 mm
φの耐熱性に優れたポリイミドアミド皮膜銅線（古河電
工製アミドマール）を用いてある。コイルの寸法は、長
さ252 mm、内径46mmφ、外径100 mmφで、独立した３つ
のコイルで構成されており、巻数合計13,000回である。
このコイルは、長さ284 mm、内径38mmφ、外径120 mmφ
の円筒型の液体窒素容器に納められている。図３の6.5
リットルの貯蓄缶に液体窒素を貯めておき上に取り付け
られたバルブを開閉することでコイルに液体窒素を送り
込むことができる。こりら二つの容器はクライオポンプ
として働き真空度の向上に一役買っている。ソレノイド
外部には磁力線を返すための軟鉄製磁鉄芯30を４つ取り
付けてある（図３）。また外部から熱が伝わらないよう
に、ソレノイド29は、８つの1.5 mmφのスポーク35で釣
ってある。スポーク35は液体窒素で冷却されて収縮する
のであらかじめゆるめに張っておく。コイルの電気抵抗
は、室温で132.6 Ω、77Ｋで17.1Ωまで下がる。77Ｋ
で、50Ｗの電力でコイルの中心に1.2ｋＧの磁場を発生
することができる。この時液体窒素の蒸発量は一時間当
り1.1リットル程度である。

【００３４】ｂ）電子銃、ドリフトチューブ、その他 電子銃24と電子コレクター30はμ−メタル26Ａ，26Ｂと
軟鉄パイプ25Ａ，25Ｂによってソレノイドコイル29の磁
場から遮蔽されている。カソード22には直径２mmφでＮ
ｉにＢａＯをコーティングした商業用のものを使用して
いる。ヒーターは 2.1 Ｗでカソードを間接的に加熱す
るようになっている。アノード23の口径は、２mmφ、ま
た、ドリフトチューブ28の内径は４mmφにしてある。電
子コレクター30は30Ｗ近くの熱を発生するので液体窒素
で冷却される。

【００３５】ソレノイドコイル29には次のことが要求さ
れる。 1) 均一磁場を生成すること。 2) 磁場の軸がドリフトチューブの中心軸と一致するこ
と。 １は、電子ビームの密度とそれと関わる空間電荷ポテン
シャルが磁場の強さに依存するためである。２は、ドリ
フトチューブの軸からずれると電子ビームの中の空間電
荷ポテンシャルが変わってしまうためである。これらは
イオン化領域の不安定性を招き、イオン源の性能に直接
かかわってくる。

【００３６】ｃ）多価イオンのクーリニグ 導入されたガスはイオン化が進むに連れて運動エネルギ
ーが増大する。残留ガスは主に軽い元素からなり、その
エネルギーが低い場合、エネルギーの高い重い元素のイ
オンがそれらと衝突をすると運動エネルギーを失いクー
リニグされ、電子ビームに深くトラップされるイオンが
多くなる。逆に軽いイオンは加熱され、トラップ領域か
らはじき出され壁などで次々に失われていく。重い元素
のガスを導入したとき、わずかな残留ガスがあると上記
の理由によって、残留ガスがない場合よりも多価イオン
のビーム強度が上がることになる。この効果により真空
度のきびしい制限がある程度緩められ、真空度をよくし
なくてもＥＢＩＳの能力をある程度上げることができ
る。

【００３７】以上簡単に多価イオン生成の基本的なメカ
ニズムについて述べたが、実際にはかなり複雑な問題も
存在する。

【００３８】ｄ）イオンビームの測定 ＥＢＩＳイオン源から引き出されるイオンの種、価数を
わけるため、質量分析器13を設けた。ビームの進行方向
に対して垂直に一様な電場をかけて、さらにイオンにか
かる電場の力を打ち消すように、両方に対して垂直な方
向に磁場をかける。この時、イオンの速さをｖ、磁場の
大きさをＢ、電場の大きさをＥとすると、ｖ＝Ｅ／Ｂを
満たすものだけが直進できる。このしくみを利用して図
11のように入口と出口にスリット36，37を設けて置くこ
とで、直進するイオンだけを通過させる。この時、

【数３】ｍ／ｑｅ＝２Ｖ_a Ｈ² ／Ｅ² の関係がある。また、

【数４】ｍ／ｑｅ＝ＬＢ² ／πＥ Ｖ_a ＝ＬＥ／２π ｅ：素電荷 ｌ：分析部の長さ Ｖ_a ：イオン源からＷＦ−ＭＳまでの加速電圧 を満たすとき、１次角度収束点が出口スリットにくるの
で微小入射角θで入口スリットに入ってきたイオンはす
べて出口スリットを通り抜けることができる。この時に
極限分解能

【数５】ｍ／Δｍ〜ｌ／π（Ｓ₁ ＋Ｓo ） Ｓ₁ ：入口スリットの幅 Ｓo ：出口スリットの幅 を与える。

【００３９】本発明者等の試作した質量計の詳細図を図
12に示す。分析部の長さは90mm、分析電場電極の間隔は
５mm、磁場には永久磁石を使い中心部に最大約1400Ｇの
磁場を発生する。質量計の中心軸に沿って測定した磁場
の大きさを図13に示す。入口と出口スリットともにに幅
は0.5 mmとした。この時、計算上は極限分解能は約30と
なる。ただし、Ｂがきまっているのでｍ／ｑをある値に
設定するとＶ_a 及びＥが自ら決まってしまう。このため
ｍ／ｑの値が違うイオンに対しては分解能が悪くなる。

【００４０】

【発明の効果】本発明は図９に示した500 ｅｖのＡｒｑ
⁺ に対する実験データからも明らかなように、例えばｑ
＝16の場合では入射イオン10個につき表面から水素イオ
ン１個が解離され検出されている。これは例えば、水素
の検出効率の点では従来の原子核反応を用いた共鳴核反
応法の約10億倍（10⁹ ）の感度がある。さらに、非常に
運動エネルギーの低い粒子を用いるため、いわゆるキネ
ティウク スパッタリングや標的内部への放射線損傷が
きわてめ小さく、表面第１層の水素分布を知る方法とし
ては極めて優れていると考えられる。

【００４１】上述のように本発明では、電子ビームイオ
ン源（ＥＢＩＳ）あるいはＥＣＲイオン源（ＥＣＲＩ
Ｓ）といった多価イオンを効率的に生成できるイオン源
からの多価低速イオンを用いることにより、きわめて高
効率かつコンパクトな表面水素の定量分析を実現するこ
とができたものである。さらに本発明の如く低速多価イ
オンを用いることにより標的表面への損傷が著しく減少
できるので、この種の検出方法が大きく改良する点工業
上大なる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は従来の測定法の一例を示す概略図であ
る。

【図２】図２は本発明の低速多価イオンによる超高感度
水素検出法の原理を示す概略図である。

【図３】図３は本発明の実験に使用する低速多価イオン
源（ＥＢＩＳ）の詳細を示す断面図である。

【図４】図４は本発明に使用する低速多価イオン源（Ｅ
ＢＩＳ）の正面より見た断面図である。

【図５】図５は本発明に使用する低速多価イオン源（Ｅ
ＢＩＳ）の原理説明用概略構成図である。

【図６】図６（Ａ）は本発明に使用するＥＢＩＳのソレ
ノイドの中心軸に沿って測定された磁場の強さの一例を
示すＺ軸方向の磁場の断面図、図６（Ｂ）は本発明のＥ
ＢＩＳの各部の相対的な電位の一例を示す特性図であ
る。

【図７】図７（Ａ）は本発明に使用するＥＢＩＳにおい
て、電子ビームがドリフトチューブ内の通る位置を変え
た場合のドリフトチューブ断面の直径に沿った空間電荷
ポテンシャル特性図、図７（Ｂ）は電子ビーム中にトラ
ップされたイオンの動径方向における典型的な軌道を示
す特性図である。

【図８】図８（Ａ）及び（Ｂ）は２次電子の飛翔時間
（ＴＯＦ）とカウントとの関係を示す図である。

【図９】図９はＡｒｑ⁺ イオンの価数と数イオン放射数
（個／Ａｒイオン）収率との関係を示す特性図である。

【図１０】図１０はチャンネルとカウントチャンネルと
の関係を示すスぺクトル図である。

【図１１】図１１は本発明に使用する質量分析器（ＷＦ
−ＭＳ）の概略図である。

【図１２】図１２は本発明に使用する質量分析器（ＷＦ
−ＭＳ）の概略図である。

【図１３】図１３は本発明に使用する質量分析器（ＷＦ
−ＭＳ）の中心軸に沿った磁場の大きさを示す特性図で
ある。

【符号の説明】

１ 負イオン源 ２ タンデム加速器 ３ 分析マグネット ４ 実験用真空槽 ５ 標的 ６ 核反応モニター用γ線検出器 １１ エレクトロン・ビーム・イオン・ソース（ＥＢＩ
Ｓ） １２ イオンビーム １２Ａ ２次イオン １２Ｂ ２次電子 １３ ＥＸＢ 質量分析器 １４ デフレクタ １４Ａ 交流発振器 １５ アパーチャ １６ レンズ １７ ミクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）（１次イオ
ン検出器） １８ 加速器 １９ 標的 ２０ ２次電子増倍管 ２１ 超高真空容器 ２２ 陰極 ２３ 陽極 ２４ 電子銃 ２５Ａ，２５Ｂ 軟鉄チューブ ２６Ａ，２６Ｂ μ−メタル ２７ 電子ビーム ２８ ドリフトチューブ ２９ ソレノイドコイル ３０ 磁鉄芯 ３１ 電子コレクター ３２ イオンレンズ系 ３３ 液体窒素冷却器 ３４ 真空ポンプ ３５ バルブ ３６ スポーク

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 運動エネルギーよりもポテンシャルエネ
   ルギーの方が大きい低速多価イオンを発生するＥＢＩＳ
   型低速多価イオン源と、ＥＸＢ質量分析器と、ビームを
   矩形波に変換するためのデフレクタと、アパーチャとレ
   ンズ及び２次イオン検出器をもった加速器と、加速器に
   設けたメッシュ状標的と、２次電子増倍管とを前記イオ
   ン源からのイオンを輸送するビームライン上に順次配列
   し、前記標的に低速多価イオンが衝突する際に発せられ
   る２次イオンを２次イオン検出器に向けて加速して検出
   すると同時に２次電子を標的のメッシュに向って追い返
   してこれを２次電子倍増管で検出し２次イオンの２次イ
   オン検出器における検出時刻と、２次電子倍増管におけ
   る２次電子検出時刻との差を検出する手段を具備し、こ
   れにより固体表面水素の定量分析をすることを特徴とす
   る低速多価イオンによる超高感度水素検出法。
2. 【請求項２】 ＥＢＩＳ型低速多価イオン源は、電子銃
   と、ドリフトチューブ、ドリフトチューブを取巻くソレ
   ノイドコイルと、ソレノイドコイルを包囲する磁鉄心
   と、ドリフトチューブの外側に設けた電子コレクターと
   より成り、ドリフトチューブの入口側及び出口側をμ−
   メタル及び軟鉄パイプで磁気遮蔽し、ドリフトチューブ
   の軸方向に強力な磁場を発生させて電子ビームを高密度
   にするよう構成した請求項１記載の低速多価イオンによ
   る超高感度水素検出法。